这一发现是在欧洲核子研究中心（CERN）的一次研讨会上宣布的，标志着首次有单一实验为这一极为罕见的事件提供了足够的证据。除了其稀有性之外，这种衰变之所以特别有价值，是因为它可以帮助科学家研究那些质量太大、无法在大型强子对撞机中直接产生的粒子。
这一发现的核心是一种名为Bd的粒子，它包含一个底夸克和一个反下夸克。科学家发现证据表明，该粒子可以衰变为一对μ子（μ+μ-）。μ子与电子类似，但质量更大。这些结果与标准模型（描述基本粒子及其相互作用的主流理论）的预测相符，并有助于缩小超出标准模型的新粒子的可能性范围。
为什么稀有粒子衰变可能揭示新物理学
物理学家对这类不寻常衰变如此感兴趣的原因之一是，量子效应允许其他粒子影响这些衰变的发生方式。即使是那些质量太大、无法在大型强子对撞机中产生的粒子，也可能在这些过程的速率中留下微妙的痕迹。
通过高精度地测量极其罕见的衰变，研究人员可以寻找实验结果与理论预测之间的差异。这种差异可以为此前未知的粒子提供间接证据。一般来说，衰变越稀有，它对这些隐藏影响的敏感度就越高。
被称为Bd → μ+μ-的衰变属于一个特殊类别，物理学家长期以来将其视为研究超越标准模型物理的“黄金通道”。在这个过程中，一个底夸克和一个带有相反电荷的反夸克相互湮灭。它们的能量转化为一对μ子及其反粒子。
科学家此前曾观测到涉及另一种名为Bs的底粒子的相关过程。2015年，LHCb和CMS合作组的一项联合分析报告了Bs → μ+μ-的首次确认观测，同时提供了更为罕见的Bd衰变的初步证据。
然而，随后纳入截至2018年所收集数据的分析无法证实此前关于Bd → μ+μ-的证据。两者在稀有程度上的差异是巨大的。Bs衰变大约在每十亿次底粒子衰变中发生三次，而Bd过程的预测发生频率约低30倍。
CERN探测器升级使突破成为可能
LHCb实验的一项重大改进帮助研究人员克服了探测如此罕见事件的巨大困难。
在经过一次重大升级后，该实验于2024年开始以2010年至2018年期间五倍的速率收集数据。升级后的探测器在识别不同种类粒子方面也变得更强，使研究人员能够更JianCe地了解碰撞过程中产生的活动。
研究团队将这些改进与机器学习技术相结合，从大量其他粒子过程中区分出极为罕见的信号。如果没有这些进步，科学家想要研究的事件将会被背景淹没。
“物理学家追寻这种衰变已经超过四十年了，”领导这个由19位科学家组成的国际分析团队的共同负责人之一Marco Santimaria说，“要从压倒性的背景中挑选出μ子，需要极高的精度。”
四十年的搜寻终于获得有力证据
在粒子物理学中，科学家使用一种称为标准差的统计量来评估一个表观信号由随机涨落而非真实物理过程产生的可能性。
一个结果必须达到三个标准差才能被认定为新现象的证据。在这一水平上，随机涨落产生至少在统计上同样极端的信号的概率约为0.3%。
利用2024年和2025年收集的数据，LHCb研究人员识别出Bd → μ+μ-的证据，显著性达到3.0个标准差。当他们将这些测量结果与2011年至2018年间收集的早期数据相结合时，统计显著性提高到3.2个标准差，超过了公认的证据阈值。
同一项研究还获得了相关的Bs → μ+μ-衰变有史以来最精确的测量结果，为这些极为罕见的过程提供了更多信息。
尽管新发现是一项重大成就，但物理学家尚未达到宣布确认观测所需的阈值。该里程碑要求显著性达到五个标准差。
如果未来的测量达到这一确定性水平，Bd → μ+μ-将成为有史以来观测到的最稀有的底粒子衰变。
大型强子对撞机未来升级或可发现隐藏粒子
研究人员预计，大型强子对撞机即将进行的改进将使这些测量更加强大。
高亮度大型强子对撞机（也称HiLumi LHC）计划于2030年开始运行。LHCb实验的另一次重大升级计划在之后的十年中期进行。这些进展相结合，最终可能使该实验的数据收集速率再提高十倍。
收集更大的数据集将使物理学家能够探测到更多这类极其罕见的衰变，并以更高的精度测量其性质。这种更高的灵敏度将有可能识别出与那些现有加速器仍无法直接触及的粒子相关的微妙效应。
“看到这种罕见衰变的证据令人无比兴奋，它为探索大型强子对撞机直接能力之外的新领域开辟了可能性，”LHCb稀有衰变召集人兼分析共同负责人Harry Cliff解释道。
“未来的LHCb升级将使我们能够观测到更多这类衰变，从而对未发现粒子具有更高的灵敏度。”
对于那些追寻这一难以捉摸的信号超过四十年的物理学家来说，新证据代表着期待已久的进展。它还提供了一条有希望的途径，用于研究已知的粒子物理定律是否只是一个更宏大图景的一部分。