欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)中国研究团队北京大学、中国科学院大学、华中师范大学联合课题组，在重子电荷共轭-宇称联合变换对称性(CP)破坏领域研究中取得重要进展，首次在Λb0→ΛK+K−衰变中观测到重子CP破坏迹象，为进一步认识重子CP破坏和深入理解标准模型CKM机制提供了重要实验证据。相关研究以“在Λb0和Ξb0到Λh+h´−衰变研究中首次发现Λb0→ΛK+K−衰变的CP破坏迹象”(Study of Λb0 and Ξb0 Decays to Λh+h´− and Evidence for CP Violation in Λb0→ΛK+K− Decays)为题，2025年3月12日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被选为编辑推荐(Editors’ Suggestion)和亮点论文(Featured in Physics)。同日，美国物理学会以“LHCb实验为理解CP破坏疑难提供了关键信息”(LHCb Delivers a Key Piece in the CP-Violation Puzzle)为题给予报道。
对基本对称性及其破坏机制的研究是粒子物理领域最具挑战的前沿课题之一。1956年，李政道、杨振宁提出弱相互作用下宇称变换对称性(P)不守恒(因此获得1957年诺贝尔物理学奖)，吴健雄与合作者随即用钴-60衰变实验证实了他们的猜测。1964年，克罗宁(J. Cronin)和菲奇(V. Fitch)在中性K介子衰变中发现基本对称性的CP破坏(因此获得1980年诺贝尔物理学奖)。1973年，小林诚(M. Kobayashi) 和益川敏英(T. Maskawa) 用卡比博-小林-益川(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, CKM)机制解释了CP破坏，并预言了三种夸克的存在(因此获得2008年诺贝尔物理学奖)。然而， CKM机制提供的CP破坏无法对 “为什么宇宙中正物质远多于反物质”这一重要科学问题(Science 309 (5731), 2005)给予完备的解释。
底夸克探测器(LHCb)专为研究含有底夸克或粲夸克的重味强子而设计;通过对重味强子的CP破坏、稀有衰变等过程进行高精度测量，以精确检验粒子物理标准模型及探索超出标准模型的新物理是其核心任务之一。自运行以来，LHCb实验已在重味强子的CP破坏研究中取得了一系列突破性进展，包括首次发现粲介子和Bs介子的CP破坏、精确测量CKM矩阵参数等，却尚未在与重子相关的衰变中发现确凿的CP信号。
近日，LHCb中国研究团队北京大学课题组与中国科学院大学、华中师范大学课题组合作，利用LHCb探测器读取的世界上数量最多的底重子，精确测量了Λb0→ΛK+K−衰变及其CP共轭衰变Λb0(bar)→Λ(bar)K+K−的产额。结果显示，这两个过程的衰变率存在3.1倍标准偏差(3.1σ)的统计显著性，由此表明其中可能存在CP破坏(如下图所示)。该研究为进一步认识重子CP破坏机制、深入理解标准模型CKM机制提供了重要的实验证据。
底介子衰变Λb0→ΛK+K−与其CP共轭过程衰变率相异示意图
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级博士研究生虞晨煦与中国科学院大学、华中师范大学合作者是上述研究的主要完成人。论文由LHCb合作组全体成员共同署名并依照姓氏英文字母序排顺。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。以北京大学等10多所高校和研究机构为核心的LHCb中国研究团队创建于2000年，近年来在电荷共轭-宇称联合变换(CP)对称性破坏机制、强子谱学、重味强子产生机制及新物理寻找等前沿领域取得了一系列突破性成果。北京大学团队自2018年以来，一直在LHCb合作组中承担物理研究和探测器建设的核心任务，学术影响力和服务贡献力日益提升。张艳席曾两度担任LHCb实验物理工作组召集人，现任LHCb合作组报告人遴选委员会委员、欧洲核子研究中心大型强子对撞机物理中心(LPCC)味物理工作组联系人。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探测器的设计与建造中作出原创性贡献。
