南开团队在低能量子色动力学和夸克混合矩阵元精确测量领域取得突破性进展

文章导读

你是否好奇宇宙基本粒子如何隐秘互动？南开大学团队联合中科院高能所，基于北京谱仪III实验数据，首次以1.2%超高精度测定带电D介子纯轻衰变分支比，颠覆了低能量子色动力学研究范式！这一突破性成果不仅精确揭示了D+介子衰变常数fD+和c→d夸克混合矩阵元|Vcd|——标准模型的核心参数，更开启了CKM矩阵幺正性精确检验的新纪元。发表于《物理评论快报》，为高精度验证粒子物理标准模型、刻度格点量子色动力学计算提供关键钥匙，让人类离破解宇宙基本法则更近一步。

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　　（通讯员程丹）8月4日，南开大学物理科学学院教授赵明刚与中科院高能所研究员马海龙及郑州大学教授柯百谦合作，基于北京谱仪III（BESIII）实验在正反粲介子阈值附近采集的数据样本，在低能量子色动力学和夸克混合矩阵元精确测量领域取得突破性进展。相关成果以“带电D介子纯轻衰变的精确测量”(Precision Measurement of the Branching Fraction of D⁺→μ⁺ν_μ)为题发表于物理学领域顶级学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 135, 061801 (2025))。

　　带电D介子纯轻衰变的精确测量是强子物理领域最基础的测量之一。在历史上，它是刻度格点QCD计算的黄金道，其测量结果使得抽取|V_ub|、|V_cb|等成为可能，进而对CKM 矩阵幺正性的检验起到了至关重要的作用。粒子物理的标准模型理论认为，带电D介子纯轻衰变可以看作粲夸克(c)和底夸克(d)湮灭为带电W玻色子，进而转换为轻子对μ⁺ν_μ的过程。由于轻子对不参与夸克间的强相互作用，D⁺介子的纯轻衰变为研究粲夸克与底夸克间的相互作用提供了一个理想桥梁。在该衰变过程中，粲夸克和下夸克间的强相互作用由D⁺介子衰变常数f_D+描述、而弱相互作用则由c→d夸克混合矩阵元|V_cd|（标准模型基本参数之一）描述。因此，精确测量f_D+|V_cd|，进而得到f_D+和|V_cd|，可以高精度刻度格点量子色动力学的计算、精确检验夸克混合矩阵的幺正性，这是高精度检验标准模型理论的一个重要途径。

南开团队在低能量子色动力学和夸克混合矩阵元精确测量领域取得突破性进展

图1. （左）纯轻衰变D⁺→μ⁺ν_μ信号和（右）D⁺介子衰变常数f_D+测量结果与理论计算的比较

　　受益于近阈数据的独特优势，BESIII实验的粲介子含轻衰变研究在国际粲物理研究领域有不可替代的作用。BESIII实验于2011至2024年间，采集了世界上最大的近阈粲介子对样本，这些量子关联产生的粲介子对为精确测量粲介子弱衰变提供了独特平台。得益于该数据样本和性能优异的缪子探测器，BESIII实验测得D⁺→μ⁺ν_μ过程的分支比为(4.034±0.080_stat±0.040_syst)×10^-4；并进一步测定D⁺介子衰变常数为f_D+=(213.5±2.1_stat±1.1_syst±0.8_input±0.7_EM) MeV，c→d夸克混合矩阵元为|V_cd|=0.2265±0.0023_stat±0.0011_syst± 0.0009_input±0.0007_EM，其测量精度达到了1.2%，开启了CKM矩阵幺正性精确检验的新时代。图1显示了纯轻衰变信号以及实验测量和理论计算的f_D+的比较。