摘要：重子是由三个夸克通过所谓的强力结合在一起而形成的复合粒子，它构成了最可见的物质，因此一直是众多物理学研究的焦点。研究不稳定重子衰变成其他粒子的罕见过程，可能有助于发现粒子物理学标准模型无法解释的新物理。

重子是由三个夸克通过所谓的强力结合在一起而形成的复合粒子，它构成了最可见的物质，因此一直是众多物理学研究的焦点。研究不稳定重子衰变成其他粒子的罕见过程，可能有助于发现粒子物理学标准模型无法解释的新物理。

LHCb实验是一项大规模研究项目，汇聚了来自世界各地大学的科学家，旨在研究含有所谓b夸克的粒子的物理特性，并探索超越标准模型的新物理。该项目依托位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型专用探测器。在最近发表于《物理评论快报》的一篇论文中，LHCb合作组报告了他们观察到的一个极其罕见的过程：一种被称为σ+（Σ⁺）的重子衰变成一个质子和两个带相反电荷的μ子。

卡利亚里大学教授、LHCb 合作组成员 Francesco Dettori 解释道：“我们研究的动机最初来自于费米实验室 HyperCP 实验的测量，该实验在 2005 年观测到 3 次衰变，为这种衰变提供了证据。”

他们测量结果的有趣之处在于，通过观察三个候选粒子中的μ子对，我们发现它们的质量总和相同，而不是预期的分布。这表明存在一种从未见过的中间粒子，并且超出了目前粒子物理学（即标准模型）的理解范围。

20年前费米实验室收集到的最新结果吸引了世界各地众多粒子物理学家的关注，其中一些人对观测到的衰变过程（Σ + →p𝜇 + 𝜇 −）提出了可能的解释，这些解释植根于超越标准模型的理论。其他专注于双μ子对的实验无法观测到这种极其罕见的衰变过程，但由于其规模和范围，LHCb实验拥有探索这种极其罕见衰变所需的所有工具。

“我们分析了2016年至2018年大型强子对撞机质子-质子碰撞中收集的数据，”佩鲁贾INFN副研究员加布里埃尔·马特利（Gabriele Martelli）说道。“Σ +重子比质子略重，因此在这些高能碰撞中，几乎任何碰撞都会产生其中一种粒子。具体而言，我们估计在此期间实验中产生了10 ^14（一百万亿）个Σ重子。”

由于Σ重子寿命相对较长，该团队正在寻找的这种极为罕见的衰变具有与其他衰变不同的独特特征。作为研究的一部分，LHCb合作组在距离质子-质子相互作用数十厘米的范围内寻找衰变顶点。

“与此同时，两个带电的μ介子和一个质子被我们的探测器探测到，并通过不同的粒子识别阶段进行识别，”马特利说道。“虽然信号很容易重建，但我们必须应对大量可能模拟这种衰变的随机组合，我们采用了机器学习方法来排除它们。”

最终，研究人员观测到了Σ + →p𝜇 + 𝜇 −衰变，这是迄今为止研究的所有重子衰变中最罕见的衰变。这是一项非凡的科学成就，凸显了欧洲核子研究中心LHCb探测器的灵敏度。

LHCb 实验已经帮助加深了人们对标准模型所解释的各种粒子物理现象的理解。然而，随着探测器精度和灵敏度的进一步提高，参与实验的研究人员将能够观察到越来越罕见的衰变过程，这反过来又可能促成对新粒子和物理相互作用的观测。

马特利补充道：“利用从 2023 年开始收集的数据，使用升级后的 LHCb 探测器，我们应该能够测量数千次这样的衰变，不仅可以探测它们的概率，还可以探测其他特征。”

我们想要研究的下一个特性是衰变中物质和反物质之间的差异（即电荷宇称对称性破坏），方法是比较Σ衰变和反Σ衰变。在许多衰变中测量这种CP对称性，对于寻找宇宙中物质/反物质不平衡的线索至关重要。

来源：小姚的科学世界