LHCb实验在40年搜寻后找到罕见粒子衰变的证据

罕见衰变的证据

在CERN进行LHCb实验的研究人员检测到一种粒子衰变的证据，该衰变预计每100亿次底夸克粒子衰变中仅发生一次。这一发现是在CERN的一次研讨会上宣布的，标志着单个实验首次为该极其罕见的事件提供了充分的证据。

该衰变涉及一种称为Bd的粒子，它包含一个底夸克和一个下反夸克。科学家发现该粒子可以衰变为一个缪子对（μ+μ-）。缪子与电子相似，但质量更大。结果与标准模型（描述基本粒子及其相互作用的主流理论）的预测一致。

统计显著性与探测器升级

在粒子物理学中，科学家使用一种称为标准差的统计度量来评估看似信号是由随机波动而非真实物理过程产生的可能性。结果必须达到三个标准差才能被视为新现象的证据。在这一水平上，随机波动产生至少同样统计极端信号的概率约为0.3%。

利用2024年和2025年收集的数据，LHCb研究人员以3.0个标准差的显著性识别出Bd → μ+μ-的证据。当他们将这些测量结果与2011年至2018年间收集的早期数据相结合时，统计显著性增加到3.2个标准差，超过了广泛接受的证据阈值。

LHCb实验的重大改进帮助研究人员克服了检测如此罕见事件的困难。经过重大升级后，该实验于2024年开始以2010年至2018年间速率的五倍收集数据。升级后的探测器在识别不同类型的粒子方面也变得更好。团队将这些改进与机器学习技术相结合，以从大量其他粒子过程中区分出极其罕见的信号。

“物理学家已经追寻这种衰变四十多年了，”国际分析团队19名科学家共同负责人Marco Santimaria说。“需要极高的精度才能从压倒性的背景中挑选出缪子。”

为何重要

被称为Bd → μ+μ-的衰变属于一类特殊类别，物理学家长期以来一直将其视为研究标准模型之外物理的“黄金通道”。通过高精度测量极其罕见的衰变，研究人员可以寻找实验结果与理论预测之间的差异。此类差异可能提供以前未知粒子的间接证据。

尽管新发现代表了一项重大成就，但物理学家尚未达到宣布确认为观测结果所需的阈值。这一里程碑需要达到五个标准差的显著性。如果未来的测量达到这种确定性水平，Bd → μ+μ-将成为有史以来观察到的最罕见的底夸克粒子衰变。

高亮度大型强子对撞机（High Luminosity LHC，也称为HiLumi LHC）计划于2030年开始运行。LHCb实验的另一次重大升级计划在下个十年中期进行。这些发展最终可能使实验的数据收集率再增加十倍。

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来源（英文）

• sciencedaily.com: After 40 years, CERN finds evidence of a one-in-10-billion particle decay | ScienceDaily
• yahoo.com: After 40 years, CERN finds evidence of an extraordinarily rare particle decay
• tech.news.am: CERN obtains first compelling evidence of a particle decay that occurs once in 10 billion cases | NEWS.am TECH - Innovations and science

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