11月22日,《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)發(fā)表了北京譜儀III(BESIII)合作組發(fā)現(xiàn)D介子第二種純輕衰變D+→τ+ν以及利用這個(gè)測(cè)量檢驗(yàn)“輕子味道普適性”的結(jié)果。本篇作為編輯推薦文章發(fā)表。
純輕衰變過(guò)程D+→τ+ν中粲夸克和反下夸克通過(guò)一個(gè)虛的W玻色子湮滅成帶電和中性輕子對(duì)。精確測(cè)量D+ →τ+ν的衰變率并與之前發(fā)現(xiàn)的另一種純輕衰變D+→ μ+ν對(duì)比,能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期的“輕子味道普適性”提供非常清楚的檢驗(yàn),并檢測(cè)可能存在的新物理效應(yīng)。
利用BESIII實(shí)驗(yàn)在正負(fù)電子對(duì)撞質(zhì)心系能量3.773GeV處采集的世界上最大的近閾D介子對(duì)數(shù)據(jù),科研人員共選擇了約1500萬(wàn)D介子對(duì),并從中鑒別出137±27個(gè) D+→τ+ν信號(hào)事例,研究證明信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性大于5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(由本底漲落造成假信號(hào)的幾率小于千萬(wàn)分之六),這在國(guó)際上屬于首次觀測(cè)到D介子的第二種純輕衰變D+→τ +ν,并測(cè)得該過(guò)程的分支比為(1.20±0.27)×10-3。聯(lián)合這一結(jié)果和D+→μ+ν 分支比的世界平均值(由此前BESIII測(cè)量結(jié)果主導(dǎo)),研究人員計(jì)算了二者的比值為3.21±0.65,且與基于標(biāo)準(zhǔn)模型輕子味道普適性預(yù)言的2.67在誤差范圍內(nèi)一致,這表明在現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)精度下,輕子味道普適性成立。著名理論物理學(xué)家、以色列特拉維夫大學(xué)的Marek Karliner教授評(píng)論道:“最近人們開(kāi)始動(dòng)搖對(duì)輕子味道普適性的信念,這個(gè)結(jié)果的發(fā)布正逢其時(shí)。”(“This comes just at the right time, when people started to question lepton universality.”)。
盡管純輕衰變D+→τ+ν的首次觀測(cè)是一個(gè)重要突破,但該測(cè)量的精度依然受限于數(shù)據(jù)量的大小。采集更大的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)一步提高測(cè)量精度是未來(lái)BESIII運(yùn)行和北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)升級(jí)的一個(gè)重要目標(biāo)。
BESIII合作組論文: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.211802

上圖左為純輕衰變D+→τ+ν的費(fèi)曼圖,右為BESIII探測(cè)器中記錄的其中一個(gè) D+→τ+ν事例;下圖橫坐標(biāo)0附近為D+→τ+ν信號(hào),小圖中信號(hào)右側(cè)的大峰和陰影都來(lái)自本底過(guò)程