近日，北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能物理團(tuán)隊(duì)冒亞軍、王大勇課題組與合作者基于北京譜儀III(BESIII)實(shí)驗(yàn)采集的正負(fù)電子對(duì)撞數(shù)據(jù)，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以超過(guò)10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)顯著度首次觀測(cè)到粲重子Λc+衰變?yōu)橹凶印⒄娮优c電子中微子的半輕衰變過(guò)程。相關(guān)研究論文以“使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)粲重子的稀有貝塔衰變”(Observation of a rare beta decay of the charmed baryon with a Graph Neural Network)為題，于2025年1月15日發(fā)表于《自然•通訊》(Nature Communications)。

粲重子的半輕衰變過(guò)程為理解標(biāo)準(zhǔn)模型中強(qiáng)相互作用與弱相互作用間的耦合提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精確測(cè)量其衰變性質(zhì)能夠推進(jìn)粲夸克能區(qū)非微擾量子色動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，并為弱相互作用的基本常數(shù)——卡比博-小林-益川(CKM)矩陣元提供新的獨(dú)立約束。基態(tài)粲重子Λc+的主要半輕衰變模式包括粲夸克轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈惪淇说?Lambda;c+ → Λe+νe與粲夸克轉(zhuǎn)變?yōu)橄驴淇说?Lambda;c+ → ne+νe，其中前者在上世紀(jì)90年代已由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，但后者的實(shí)驗(yàn)測(cè)量由于事例率低、衰變末態(tài)難以重建、本底成分復(fù)雜等困難，一直未能實(shí)現(xiàn)突破。

圖1. 粲重子半輕衰變Λc+ → Λe+νe與Λc+ → ne+νe在BESIII電磁量能器中響應(yīng)的示意圖。

在本研究工作中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法，識(shí)別中子在BESIII電磁量能器中的能量沉積模式，從而有效分離了Λc+ → ne+νe信號(hào)與Λc+ → Λe+νe的強(qiáng)本底事例，并建立了一套數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析流程，用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與校準(zhǔn)、物理結(jié)果的驗(yàn)證及系統(tǒng)誤差的估算。通過(guò)這一方法，研究團(tuán)隊(duì)首次以超過(guò)10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)顯著度觀測(cè)到Λc+ → ne+νe衰變過(guò)程，以接近理論預(yù)言的精度測(cè)量了其分支比，并給出了CKM矩陣元|Vcd|首個(gè)來(lái)自于粲重子衰變的實(shí)驗(yàn)約束。這一結(jié)果為理解粲強(qiáng)子性質(zhì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)輸入，為含中性強(qiáng)子末態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究提供了全新的分析手段，并展示了深度學(xué)習(xí)技術(shù)在高能物理實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量中的廣泛應(yīng)用前景。

圖2. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)樣本的評(píng)分分布與擬合結(jié)果。

圖3. 本研究測(cè)量的Λc+ → ne+νe衰變分支比與各類理論模型預(yù)言的比較。

本研究工作由北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能物理團(tuán)隊(duì)冒亞軍、王大勇課題組與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、蘭州大學(xué)、華南師范大學(xué)等單位合作完成。北京大學(xué)物理學(xué)院2017級(jí)博士研究生宋昀軒(現(xiàn)為瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)博士后研究員)與2020級(jí)博士研究生李彥谷共同承擔(dān)了主要的數(shù)據(jù)分析與論文撰寫(xiě)工作，并代表BESIII實(shí)驗(yàn)合作組投稿。

BESIII實(shí)驗(yàn)是我國(guó)運(yùn)行于陶輕子-粲夸克能區(qū)的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，在該能區(qū)擁有世界最高統(tǒng)計(jì)量的數(shù)據(jù)樣本。BESIII實(shí)驗(yàn)合作組由來(lái)自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)86家研究機(jī)構(gòu)的600余名科研人員組成。北京大學(xué)BESIII課題組在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行維護(hù)中發(fā)揮了重要作用，在輕強(qiáng)子譜、奇特強(qiáng)子態(tài)、粲強(qiáng)子與粲偶素物理以及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理等研究領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)出重要研究成果，并擔(dān)任了合作組多個(gè)重要管理職位，如冒亞軍曾擔(dān)任合作組共同發(fā)言人，王大勇曾擔(dān)任合作組物理分析協(xié)調(diào)人等。BESIII實(shí)驗(yàn)仍將繼續(xù)運(yùn)行5~10年，基于其數(shù)據(jù)的物理研究將維持15年以上，可以期待更多新的發(fā)現(xiàn)和成果。

本研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等大力支持。