利用歐洲核子研究中心大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)，北京大學、華中師范大學、中國科學院大學聯合研究團隊主導完成了迄今最精確的重味重子衰變參數測量，為理解重子衰變基本對稱性破壞提供了重要的實驗信息。相關研究成果以“Λb0到Λc+ h-衰變中Λb0, Λc+和Λ衰變參數測量”(Measurement of Λb0, Λc+ and Λ decay parameters using Λb0→Λc+ h- decays)為題于2024年12月30日在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

基本對稱性破壞機制是粒子物理學領域中的一個核心科學問題。早在1956年，李政道和楊振寧提出了一個革命性的設想：在弱相互作用中，宇稱變換對稱性(P)并不守恒，并提出了可行的實驗驗證方案。這一貢獻讓他們在1957年榮獲諾貝爾物理學獎。次年，吳健雄團隊在鈷-60衰變實驗中證實了這一理論。然而，在當時，無論從理論基礎還是已有實驗結果來看，科學界普遍認為電荷共軛-宇稱聯合變換對稱性(CP)是嚴格守恒的。直到1964年，克羅寧(J. W. Cronin)和菲奇(V. Fitch)等物理學家在K介子衰變中首次發現了CP對稱性破壞現象，表明正粒子和反粒子的演化規律存在顯著差異。這一發現使克羅寧和菲奇在1980年獲得諾貝爾物理學獎。CP破壞是產生宇宙中正反物質數量不對稱的一個必要條件。盡管粒子物理標準模型為理解P和CP的破壞提供了理論框架，但仍無法充分解釋 “為何宇宙中的正物質遠多于反物質” 的現象，這一問題被納入《科學》期刊于2005年發布的125個最具挑戰性的科學問題。因此，深入理解標準模型中的基本對稱性破壞機制，并探索新的對稱性破壞來源，已成為當今粒子物理學研究的前沿領域。

LHCb探測器是大型強子對撞機(LHC)上為研究重味強子(即包含底夸克或粲夸克的強子)而建造的大科學裝置。其主要物理目標之一是通過精確測量重味強子的CP破壞現象，尋找超越標準模型的新物理。在此次研究中，北京大學、華中師范大學和中國科學院大學LHCb中國研究團隊的部分成員，利用LHCb探測器收集的海量底重子數據，開展了一系列創新性的實驗工作。通過分析底重子到粲重子再到超子的級聯衰變，采用角度分析方法精確測量了底重子、粲重子以及超子到重子加π介子末態的衰變參數。這些參數用于描述衰變產物的角分布不均勻性，從而揭示了P破壞的程度。此外，正粒子與反粒子的衰變參數差異是表征CP破壞程度的重要指標。

底重子衰變到粲重子加π介子示意圖

實驗結果顯示，對于底重子到粲重子加π介子的衰變，P宇稱幾乎完全破壞，這是實驗上首次對底重子系統進行相關測量。同時，研究團隊還提供了粲重子一系列衰變參數的最精確測量值，并證實了北京譜儀實驗(BESIII)此前對超子衰變參數的實驗結果(Phys. Rev. Lett. 129, 131801 (2022))。在高達1%的測量精度下，研究團隊對這些衰變中CP破壞的現象進行了檢驗，目前尚未發現CP破壞的跡象。這些結果不僅為深入理解重子弱衰變機制提供了重要的實驗依據，也充分展示了LHCb實驗在基本對稱性破壞研究中的潛力，尤其是利用角度分析尋找CP破壞的技術。隨著數據的進一步積累和更高精度的測量，LHCb實驗有望在重子系統中首次揭示CP破壞現象，從而為深入理解基本對稱性破壞提供更為堅實的實驗基礎。

北京大學物理學院技術物理系、核物理與核技術全國重點實驗室張艷席助理教授和2023級博士研究生榮天澤是本項研究的主要完成人，論文署名為LHCb合作組全體成員，依照姓氏的英文字母順序排列。這項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及北京大學建設世界一流大學(學科)和特色發展引導專項的資助支持。

LHCb合作組由來自24個國家和地區的98家研究機構的約1700名科研人員組成。以北京大學、華中師范大學、中國科學院大學等十所高校和研究機構為核心的LHCb中國研究團隊成立于2000年，近年來在CP破壞、重味強子產生機制、強子譜學以及新物理尋找等前沿領域取得了一系列突破性成果。目前，北京大學正在與國內外合作單位共同推進LHCb探測器升級所需新型電磁量能器的核心研發工作，力爭在高亮度大型強子對撞機(HL-LHC)LHCb的設計與建造中做出原創性貢獻。