利用欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)，北京大学、华中师范大学、中国科学院大学联合研究团队主导完成了迄今最精确的重味重子衰变参数测量，为理解重子衰变基本对称性破坏提供了重要的实验信息。相关研究成果以“Λb0到Λc+ h-衰变中Λb0, Λc+和Λ衰变参数测量”(Measurement of Λb0, Λc+ and Λ decay parameters using Λb0→Λc+ h- decays)为题于2024年12月30日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
基本对称性破坏机制是粒子物理学领域中的一个核心科学问题。早在1956年，李政道和杨振宁提出了一个革命性的设想：在弱相互作用中，宇称变换对称性(P)并不守恒，并提出了可行的实验验证方案。这一贡献让他们在1957年荣获诺贝尔物理学奖。次年，吴健雄团队在钴-60衰变实验中证实了这一理论。然而，在当时，无论从理论基础还是已有实验结果来看，科学界普遍认为电荷共轭-宇称联合变换对称性(CP)是严格守恒的。直到1964年，克罗宁(J. W. Cronin)和菲奇(V. Fitch)等物理学家在K介子衰变中首次发现了CP对称性破坏现象，表明正粒子和反粒子的演化规律存在显著差异。这一发现使克罗宁和菲奇在1980年获得诺贝尔物理学奖。CP破坏是产生宇宙中正反物质数量不对称的一个必要条件。尽管粒子物理标准模型为理解P和CP的破坏提供了理论框架，但仍无法充分解释 “为何宇宙中的正物质远多于反物质” 的现象，这一问题被纳入《科学》期刊于2005年发布的125个最具挑战性的科学问题。因此，深入理解标准模型中的基本对称性破坏机制，并探索新的对称性破坏来源，已成为当今粒子物理学研究的前沿领域。
LHCb探测器是大型强子对撞机(LHC)上为研究重味强子(即包含底夸克或粲夸克的强子)而建造的大科学装置。其主要物理目标之一是通过精确测量重味强子的CP破坏现象，寻找超越标准模型的新物理。在此次研究中，北京大学、华中师范大学和中国科学院大学LHCb中国研究团队的部分成员，利用LHCb探测器收集的海量底重子数据，开展了一系列创新性的实验工作。通过分析底重子到粲重子再到超子的级联衰变，采用角度分析方法精确测量了底重子、粲重子以及超子到重子加π介子末态的衰变参数。这些参数用于描述衰变产物的角分布不均匀性，从而揭示了P破坏的程度。此外，正粒子与反粒子的衰变参数差异是表征CP破坏程度的重要指标。
底重子衰变到粲重子加π介子示意图
实验结果显示，对于底重子到粲重子加π介子的衰变，P宇称几乎完全破坏，这是实验上首次对底重子系统进行相关测量。同时，研究团队还提供了粲重子一系列衰变参数的最精确测量值，并证实了北京谱仪实验(BESIII)此前对超子衰变参数的实验结果(Phys. Rev. Lett. 129, 131801 (2022))。在高达1%的测量精度下，研究团队对这些衰变中CP破坏的现象进行了检验，目前尚未发现CP破坏的迹象。这些结果不仅为深入理解重子弱衰变机制提供了重要的实验依据，也充分展示了LHCb实验在基本对称性破坏研究中的潜力，尤其是利用角度分析寻找CP破坏的技术。随着数据的进一步积累和更高精度的测量，LHCb实验有望在重子系统中首次揭示CP破坏现象，从而为深入理解基本对称性破坏提供更为坚实的实验基础。
北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室张艳席助理教授和2023级博士研究生荣天泽是本项研究的主要完成人，论文署名为LHCb合作组全体成员，依照姓氏的英文字母顺序排列。这项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及北京大学建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项的资助支持。
LHCb合作组由来自24个国家和地区的98家研究机构的约1700名科研人员组成。以北京大学、华中师范大学、中国科学院大学等十所高校和研究机构为核心的LHCb中国研究团队成立于2000年，近年来在CP破坏、重味强子产生机制、强子谱学以及新物理寻找等前沿领域取得了一系列突破性成果。目前，北京大学正在与国内外合作单位共同推进LHCb探测器升级所需新型电磁量能器的核心研发工作，力争在高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)LHCb的设计与建造中做出原创性贡献。
