数十亿次粒子衰变中的短暂信号
CERN的LHCb实验报告称，利用2024年和2025年采集的碰撞数据，首次在单个实验中发现中性B介子罕见衰变为两个μ子的证据。结合此前的测量结果，该信号的统计显著性达到3.2个标准差，足以构成证据，但尚未达到物理学家认定为“观测到”的门槛。
这一结果于2026年公布，见LHCb合作组11月3日的公告，推进了始于1984年的搜寻。这种衰变写作B0 → μ+μ−，也称Bd → μ+μ−。它会将一种含有底夸克或反底夸克的粒子转变为一个μ子及其反粒子。
描述已知基本粒子及其相互作用的理论——标准模型——预测，每100亿次B0介子衰变中大约发生一次这种衰变。如此罕见的过程因此很有用：尚未发现的粒子可能会显著改变其发生概率，让精密实验能够探测到这种变化。
LHCb还报告了对相关衰变Bs0 → μ+μ−的概率和有效寿命迄今最精确的测量结果。两组结果均与标准模型一致。它们共同为研究人员提供了更精确的工具，用于检验提出存在已知粒子之外新粒子的理论。
究竟是什么在消失？
B介子是由一个夸克和一个反夸克组成的短寿命粒子。B0和Bs0属于同一家族，但它们较轻的夸克成分不同：一种涉及下型夸克，另一种涉及奇异夸克。成分不同会改变它们产生一对μ子的概率。
μ子是一种基本粒子，与电子相似，但质量更大。这些衰变中的两个μ子带有相反的电荷。研究人员搜寻它们的径迹，并利用测得的性质重建产生它们的粒子的质量。
标准模型预测，Bs0衰变约每十亿次发生三次，频率约为B0过程的30倍。这些概率称为分支比，表示某种介子通过特定衰变途径衰变的比例。大多数B介子会通过其他途径消失，使研究人员想要寻找的信号淹没在数量庞大的其他粒子中。
为何这被称为证据
仅使用2024年和2025年的样本，LHCb测得的显著性为3个标准差。加入大型强子对撞机此前运行阶段Run 1和Run 2的数据后，这一数值升至3.2。
统计显著性衡量数据对“存在信号”的支持程度，相对于仅用背景解释结果的支持程度。数值越大，背景中的随机波动产生至少同样显著结果的可能性就越低。粒子物理学家通常将3个标准差作为证据门槛，将5个标准差作为观测门槛。
合作组对这一结果的描述十分具体：这是单个实验首次发现B0 → μ+μ−衰变的证据。LHCb与CMS此前曾在2015年的联合分析中报告相关证据，但后续分析未能证实早先的迹象。
这项新测量利用一批全新数据，使搜寻结果再次达到证据门槛。下一个统计目标是5个标准差。LHCb没有说明何时能够达到这一目标。
从1984年到2026年的搜寻
研究人员已通过数代实验持续搜寻这些罕见衰变。发生频率较高的Bs0过程先达到观测门槛，为更难发现的B0搜寻奠定了基础。
- 1984年：开始搜寻B0 → μ+μ−。
- 2012年11月：LHCb以3.5个标准差报告Bs0 → μ+μ−衰变的证据。
- 2015年5月：LHCb与CMS的联合分析以6.2个标准差观测到Bs0衰变，并报告了B0衰变的初步迹象。
- 2017年2月：LHCb单独以7.8个标准差观测到Bs0衰变。
- 后续使用截至2018年采集的数据进行的分析未能证实此前B0衰变的迹象。
- 2024年和2025年：LHCb采集了最新分析所用的新数据。
- 2026年11月3日：LHCb宣布，在新样本中以3个标准差发现B0衰变的证据；与此前运行期数据合并后，显著性达到3.2。
这段历程说明，研究人员为何谨慎区分证据与观测。一个有希望的信号需要更多数据；后续测量可能使其进一步增强，也可能使其降至公认门槛以下。
探测器如何找到μ子对
LHCb升级后的探测器采集数据的速率约为2010年至2018年期间的五倍。对于一种预计每100亿次B0衰变才发生一次的过程，记录更多可用的碰撞至关重要。
顶点定位器（简称VELO）有助于确定粒子的产生位置和衰变位置。该探测器由利物浦大学组装，运行时距大型强子对撞机束流仅5毫米。其精确的径迹测量能力使研究人员能够定位粒子的衰变点，即使这些粒子的寿命只有极短的一瞬。
机器学习有助于从背景中筛选出有希望的μ子对。这里的背景指许多会产生相似径迹或粒子组合的其他过程。随后，研究人员会分析每对μ子的惯性质量；这一数值根据μ子的能量和动量计算得出，可用于辨认其母粒子的质量。
质量分布中可以看到Bs0衰变的贡献，以及在较低的B0质量位置出现的较小贡献。LHCb通过拟合这些信号和背景，估算每种衰变的数量。
B0的产生率带来了一项有利条件。据LHCb称，对撞机产生的B0介子约为Bs0介子的4倍。尽管单个B0衰变为两个μ子的可能性约低30倍，但其更高的数量使预计事件数之间的差距缩小到约7倍。这个比较有助于说明，为何在足够大的数据集中能够探测到这种更罕见的过程。
结果对未知粒子意味着什么
标准模型对两种衰变的概率都给出了精确预测。扩展标准模型的理论可能会引入影响衰变过程的粒子，从而改变这些预测，即使这些粒子并未在探测器中作为可见粒子直接产生。
LHCb列举了额外的希格斯玻色子、Z′矢量玻色子和轻子夸克作为例子。它们是不同理论扩展中提出的粒子。这些粒子可能产生的影响，使罕见衰变成为间接搜寻途径，用于探索特定碰撞实验无法直接达到的能量范围内的物理现象。
负责运行该实验并开展分析的LHCb合作组这样描述最新测量结果：
今天公布的结果与标准模型一致，能够更精确地划定这些新模型可能存在的参数范围
实际上，这一结果缩小了仍与实验相容的假设粒子质量和相互作用强度的组合范围。在LHCb对两个分支比开展的联合分析中，标准模型的预测位于68.27%的置信区域内；该区域反映了测量的不确定性。
为何测量寿命能提供另一项检验
LHCb还测量了衰变为μ子对的Bs0介子的有效寿命。结合Run 1、Run 2和Run 3的数据，测得结果为1.60 ± 0.16 ± 0.01皮秒，与标准模型预测一致。
1皮秒是一万亿分之一秒。第一个不确定度反映测量的统计局限；第二个则涵盖测量方法相关的系统效应。统计不确定度大得多，这表明增加数据为何有价值。
有效寿命描述所选Bs0样本的衰变时间分布。一些标准模型扩展理论可能在几乎不改变产生两个μ子的总概率的情况下，改变这些衰变随时间的分布。因此，同时测量衰变频率和时间特征，比单纯统计衰变数量能够检验更多可能性。
B0与Bs0分支比的比值提供了另一种比较方式。一种假设理论必须同时解释两种过程之间的关系及其各自的衰变率。LHCb的最新结果在一项分析中综合了这些独立检验。
微观尺度研究的下一步
LHCb已将新结果提交发表，并在CERN的一场研讨会上作了报告。该研讨会为合作组与理论物理学家之间的交流活动揭开序幕。实验方面当前的任务是收集足够多的额外证据，推动B0信号接近观测门槛，并更精确地测量其衰变概率。
据合作组称，LHCb计划在下一个十年中期进行进一步升级，届时数据采集速率或可再提高一个数量级，也就是约10倍。这将支持利用两种罕见衰变开展更严格的检验。
“zeptoverse”（泽托宇宙）一词用来描述研究人员希望通过此类精密测量探索的极小距离。1泽托米是1米的十亿分之一的千分之一。罕见衰变为研究与极小距离和高能量相关的效应提供了一条间接途径。
暗物质以及宇宙中物质多于反物质的起源，仍是探索标准模型之外物理学的更广泛动因。此处公布的发现范围更具体：标准模型预测的一种罕见衰变已达到证据门槛，而对其行为的测量则进一步收紧了研究人员对各种假设理论的限制。
要点
- LHCb报告了单个实验首次发现B0 → μ+μ−衰变的证据；这项搜寻始于1984年。
- 2024年和2025年的数据达到3个标准差；与此前运行期的数据合并后，显著性升至3.2。
- 标准模型预测，每100亿次B0衰变中大约发生一次这种衰变。
- 新的衰变测量结果与标准模型一致，并缩小了额外粒子可能存在的范围。
- LHCb测得相关Bs0衰变的有效寿命为1.60 ± 0.16 ± 0.01皮秒。
- 要观测到B0衰变，目标仍是达到5个标准差。
