武汉大学孙亮课题组取得最新粒子物理实验研究成果

（通讯员物轩）近日，欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）的LHCb合作组在《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了关于带电B介子重子化稀有衰变的研究成果，论文题目为“Evidence For the Rare Decay B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–”。按照高能物理学界的惯例，该论文由LHCb合作组全体成员依作者姓氏英文字母顺序共同署名。武汉大学物理科学与技术学院教授孙亮团队在该研究中发挥了关键作用。孙亮指导的2023级硕士生王梦浩（已毕业）承担物理分析核心工作，论文撰写及投稿，并完成了同行评审的答复工作。论文的主要贡献者还包括武汉大学2023级博士生唐迎澳（已毕业）和英国伯明翰大学研究员Niladri Sahoo。

重味强子的稀有衰变，特别是包含味改变中性流过程的衰变，是当前粒子物理领域寻找超出标准模型新物理的一个关键研究方向。在标准模型框架下，类似b→sℓ⁺ℓ⁻的味改变中性流转化过程只能通过圈图的方式实现，因此相关B介子衰变过程被强烈压低。由于新粒子可以在圈图中出现，即使无法直接在高能实验中产生，也可能通过改变衰变率、CP破坏或角分布等可观测量留下间接信号。因此，稀有衰变被认为是探索高能标新物理最灵敏的“间接探针”。近年来，LHCb实验针对B→K^(*)ℓ⁺ℓ⁻衰变的系列研究引起了国际粒子物理界的广泛关注。相比于介子末态，同样包含b→sℓ⁺ℓ⁻转化的含重子对末态的B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–衰变在理论和实验上研究相对较为匮乏。B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–衰变包含着丰富的动力学信息，可以提供额外的实验观测量用来侦测可能存在的新物理效应。B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–衰变还提供了一个干净的平台用来研究¯Λp强子系统，可以增进我们对高激发态奇异介子和诸如X(2085)等奇特强子态的理解。但由于B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–衰变分支比较之B→K^(*)μ⁺μ^–等纯介子末态过程要低两个数量级，并且末态包含难以探测的长寿命Λ超子，实验上观测难度很大。

本工作基于LHCb实验第二个取数周期（Run2，2016-2018）获取的质子质子对撞数据，运用了机器学习等实验分析方法，首次找到了B介子重子化衰变稀有过程B⁺→ ¯Λpμ⁺μ^–的证据，在反Λ超子-质子不变质量靠近产生阈值区域的信号显著性为3.5σ。分支比测量结果在10^-8量级，与之前基于标准模型理论预言在两倍标准偏差内符合。研究还在高¯Λp不变质量区间对B⁺→ ¯Λpμ⁺μ^–衰变的部分分支比设定了10^-9量级的上限。实验结果支持了重子对产生的阈值增强机制。该成果为B介子到重子对强子化形状因子的理论研究提供了重要的实验输入，可以引发未来更多的在B介子重子化稀有衰变方面的理论和实验工作。

图1 通过拟合LHCb Run2数据在¯Λp不变质量靠近产生阈值的区间（m(¯Λp) < 2.8 GeV/c²）找到了大约16个B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–衰变信号，信号显著性为3.5σ。

图2 实验测得的B⁺→ ¯Λp¯μ⁺μ^–衰变分支比和在两个¯Λp不变质量区间的部分分支比结果。理论预言由灰色区域所标示。

武汉大学自2016年加入LHCb合作组，是国内第四家参与该国际合作的高校。近年来，武汉大学LHCb团队在B介子稀有衰变和无粲含重子末态衰变等高能物理前沿陆续取得了一系列研究进展。

本工作得到了海外高层次人才计划，国家自然科学基金国际合作项目，和科技部国家重点研发项目的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pl88-4435