曼彻斯特大学团队在LHCb发现极罕见粒子衰变首个证据

曼彻斯特大学的物理学家帮助在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上首次找到了极罕见粒子衰变的证据，使科学家们更接近探索一个未知世界——新粒子和自然力可能隐藏其中。

物理学家们发现了某种粒子衰变的证据，这种衰变极其罕见，预计大约每100亿个“美”粒子中才会发生一次。

这一结果来自欧洲核子研究中心大型强子对撞机上经过升级的LHCb实验，此前科学家们已进行了40多年的搜寻。这一发现使物理学家更接近探索“仄秒世界”——一个存在于十亿分之一的万亿分之一米（即“仄米”）尺度上的未探索领域，新粒子和自然力可能隐藏在那里。

曼彻斯特大学的研究人员在LHCb实验及其重大升级中发挥了关键作用——升级后的实验数据采集速率可达此前的五倍——其中包括开发了使新测量得以实现的探测器技术。

这一发现将使物理学家能够以更高精度检验标准模型——我们目前关于基本粒子及其相互作用的最佳理论——并寻找可能超出标准模型范围的粒子或力的迹象。

LHCb研究的是包含美夸克的粒子，美夸克是我们周围普通物质中上夸克和下夸克的重质量近亲。

美夸克在大型强子对撞机的碰撞中大量产生，但寿命仅约一万五千亿分之一秒便会衰变。

通过对美夸克不同衰变方式进行精确测量，物理学家可以探测到可能远小到在大型强子对撞机上无法直接看到的新粒子的影响。

衰变越罕见，对 New 粒子的影响就越敏感。这些粒子可能会改变衰变发生的频率。

新结果涉及一种特别罕见的衰变，称为“Bd to mu mu”，即一个包含美夸克的粒子衰变为两个μ子——电子的较重近亲。

科学家预测，这种情况大约每100亿个美粒子中才会发生一次。在此之前，没有任何单个实验找到过这一过程的可靠证据。

新测量的统计显著性达到3.2西格玛。这足以让物理学家将结果称为该衰变的首个证据，但还需要更多数据才能达到粒子物理学中宣称“发现”所需的五西格玛阈值。

曼彻斯特大学物理与天文系主任Chris Parkes教授领导了LHCb国际合作组的升级建设工作，并主导了合作组对新结果的批准。

他说：“升级后的LHCb是一项重大工程——一个由1900名国际成员组成的合作组历时十五年的设计与建设项目。

“英国是该项目中贡献最大的国家，开创了新技术，使今天的结果成为可能，让我们得以在新尺度上探测自然。但这仅仅是开始，我们正在规划建造一个实验，将利用下一代高亮度大型强子对撞机的能力，在更小的尺度上探测物理。”

Parkes教授今年早些时候因其在LHCb方面的工作当选为皇家学会院士，他补充说：“这种衰变极其罕见，其发生概率大致相当于你去约会，第一次尝试就在地球上所有人中找到了那个完美的另一半。”

升级后的LHCb实验的一个由英国建造的重要组件是硅像素探测器，它能以极高精度追踪大型强子对撞机碰撞中产生的粒子路径。

该探测器被称为顶点定位器，距离大型强子对撞机的束流仅五毫米，使科学家能够精确定位粒子产生和衰变的位置。

领导曼彻斯特大学探测器建设的Stefano De Capua博士补充说：“我们与近90家英国公司合作建造了这台探测器，并利用我们所使用的新技术培训了下一代科学家和工程师。正是这些探测器让我们能够定位美介子产生的位置，并精确确定它衰变为两个μ子的位置。”

物理学家希望此类测量能让他们探测“仄米世界”——指的是极小的距离尺度，目前未知的粒子和力可能隐藏在那里。

尽管他们知道新测量结果与标准模型的预测一致，但对这些罕见衰变日益精确的测量可以帮助物理学家寻找新物理的迹象，并揭示该模型最终可能在何处开始失效。

曼彻斯特大学的Conor Fitzpatrick教授、LHCb国际合作组副物理协调员说：“全世界物理学家已经搜寻这种衰变超过四十年。这是观察超出我们当前知识范围的新物理效应的黄金通道。

“这项实验的结果正在拓展我们对自然最基本层面的理解。我们很高兴终于看到了这个难以捉摸的信号，并期待未来从我们的数据中涌现的新发现。”

升级后的实验预计将在2030年代初收集到更大的数据集，使物理学家能够以越来越高的精度研究这种衰变。

进一步的升级计划可能将数据收集速率再提高十倍，从而能够对这些衰变进行更精确的测量，并使物理学家在更短距离上对未被发现的粒子具有更高的灵敏度。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）