中国科学院大学与北京大学、华中师范大学等组成的联合团队在欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中取得重大突破

中国科学院大学与北京大学、华中师范大学等组成的联合团队在欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中取得重大突破。该团队在重子CP破坏领域研究中首次观测到Λ_b⁰→ΛK⁺K⁻衰变中的破坏迹象，这一发现为理解反物质疑难和精确检验标准模型提供了关键实验依据。

相关研究成果以“Study of Λ_b⁰ and Ξ_b⁰ Decays to Λh⁺h'⁻ and Evidence for CP Violation in Λ_b⁰→ΛK⁺K⁻ Decays”为题，近日在线发表在《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 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，李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒理论，并由吴健雄团队在钴-60衰变实验中证实，二人因此荣获1957年诺贝尔物理学奖。1964年，克罗宁（J.Cronin）和菲奇（V. Fitch）在中性K介子衰变中发现电荷共轭-宇称联合对称性（CP）破坏，荣获1980年诺贝尔物理学奖，彻底改变了人们对基本对称性的认知。1973年，小林诚（M. Kobayashi）和益川敏英（T. Maskawa）提出CKM机制，成功解释了夸克过程中的CP破坏，并因此荣获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。此前的实验和LHCb实验都未在与重子相关的衰变中发现确凿的CP信号。

近日，中国科学院大学与北京大学、华中师范大学等组成的LHCb联合研究团队，利用LHCb实验收集的世界上规模最大的底重子数据集，精确测量了Λ_b⁰→ ΛK⁺K⁻衰变及其CP共轭衰变Λ_b⁰-bar → Λ-bar K⁻K⁺的产额。研究结果显示，这两个过程的衰变率存在显著性为3.1倍标准偏差的差异，表明其中存在CP破坏的迹象（如下图所示）。此外，研究还在Λ_b⁰→ΛK⁺K⁻衰变的相空间区域Λ_b⁰→N*⁺K⁻发现了局域CP破坏迹象。这些发现为理解重子CP破坏难题和精确检验CKM机制提供了重要实验证据。

底介子衰变Λ_b⁰→ ΛK⁺K⁻与其CP共轭过程衰变率相异的示意图

随着LHCb实验三期升级的推进，研究团队将能够获取更大规模的底重子数据样本，显著提高CP破坏测量的精度，并有助于对其来源展开更深入的研究。未来，该研究有望首次在重子衰变中观测到超过5σ显著性的CP破坏，为探索物质-反物质不对称性提供关键实验依据。同时，研究人员计划利用分波分析方法，深入解析不同共振态结构对CP破坏的贡献，以寻找可能的新CP破坏机制。

中国科学院大学钱文斌长聘副教授和朱展文博士后与北京大学、华中师范大学合作者等是本项研究的主要完成人。论文署名为LHCb合作组全体成员，依照姓氏英文字母顺序排列。这项研究得到了国家重点研发计划的资助支持。