數十億次粒子衰變中的短暫訊號
CERN的LHCb實驗公布首個由單一實驗取得的證據，顯示中性B介子會極罕見地衰變成兩個μ子；研究使用2024年與2025年收集的碰撞資料。結合先前的測量結果後，該訊號的統計顯著性達3.2個標準差，足以稱為「證據」，但仍未達到物理學家認定為「觀察到」的門檻。
這項結果於2026年公布，詳見LHCb合作團隊在11月3日的公告，為這項始於1984年的搜尋帶來進展。這種衰變寫作B0 → μ+μ−，也稱為Bd → μ+μ−。它會將含有底夸克或反夸克的粒子轉變成一個μ子及其反粒子。
描述已知基本粒子及其交互作用的理論「標準模型」預測，每100億次B0介子衰變中，約有一次會發生這種衰變。這種極端罕見的特性使此過程格外有用：尚未發現的粒子可能改變其發生機率，讓精密實驗得以察覺。
LHCb也公布了與之相關的Bs0 → μ+μ−衰變機率及有效壽命的最精確測量結果。兩組結果都與標準模型相符。合在一起看，這些結果讓研究人員能更精確地檢驗提出已知粒子以外新粒子的理論。
究竟是什麼消失了？
B介子是由一個夸克和一個反夸克組成、壽命極短的粒子。B0和Bs0屬於同一個粒子家族，但較輕夸克的組成不同：一種包含下夸克，另一種則包含奇夸克。組成上的差異會改變它們產生一對μ子的頻率。
μ子是類似電子的基本粒子，但質量較大。這些衰變中的兩個μ子帶有相反的電荷。研究人員搜尋它們留下的軌跡，並利用測得的性質重建產生它們的粒子質量。
標準模型預測，Bs0每十億次衰變中約有三次會發生這種衰變，頻率約為B0過程的30倍。這些稱為分支比的機率，代表特定種類的介子經由某一衰變途徑發生衰變的比例。多數B介子會透過其他途徑消失，因此目標訊號掩埋在數量大得多的粒子之中。
為何這稱為證據
僅使用2024年與2025年的資料，LHCb得到3個標準差的顯著性。加入大型強子對撞機較早的運轉時期Run 1與Run 2的資料後，顯著性升至3.2。
統計顯著性衡量資料支持訊號、而非僅以背景解釋的程度。數值越大，代表背景中的隨機起伏產生至少同樣顯著結果的可能性越低。粒子物理學家通常以3個標準差作為證據門檻，5個標準差則是觀察到某現象的門檻。
合作團隊對這項結果的描述刻意明確：這是單一實驗首次取得B0 → μ+μ−的證據。LHCb與CMS曾在2015年聯合分析中報告證據，但後續分析未能確認當時的初步訊號。
這項新測量以一組全新的資料，讓搜尋結果再度超越證據門檻。下一個統計目標是達到5個標準差。LHCb未公布達成目標的時間。
從1984年到2026年的搜尋
研究人員歷經多代實驗，持續追尋這些罕見衰變。發生頻率較高的Bs0過程率先達到觀察門檻，為更難搜尋的B0過程奠定基礎。
- 1984年：開始搜尋B0 → μ+μ−。
- 2012年11月：LHCb以3.5個標準差報告Bs0 → μ+μ−的證據。
- 2015年5月：LHCb與CMS的聯合分析以6.2個標準差觀察到Bs0衰變，並報告B0衰變的初步跡象。
- 2017年2月：LHCb單獨以7.8個標準差觀察到Bs0衰變。
- 後續使用截至2018年所收集資料的分析，未能確認先前B0衰變的跡象。
- 2024年與2025年：LHCb收集了最新分析所用的新資料。
- 2026年11月3日：LHCb宣布，在新資料中以3個標準差取得B0衰變的證據；結合先前運轉時期的資料後，顯著性達3.2。
這段歷程說明了研究人員為何仔細區分「證據」與「觀察到」。有希望的訊號仍需更多資料；後續測量可能使它更加確立，也可能讓其顯著性跌破公認門檻。
探測器如何找到μ子對
升級後的LHCb探測器，資料收集速率約為2010至2018年間的五倍。對於每100億次B0衰變中預期僅發生一次的過程而言，記錄更多可用碰撞至關重要。
頂點定位器（VELO）能協助辨識粒子的產生位置與衰變位置。這套由利物浦大學組裝的探測器，距離大型強子對撞機的粒子束僅5毫米。精密的軌跡追蹤能力，讓研究人員得以定位壽命僅有極短一瞬的粒子衰變位置。
機器學習有助於從背景中分辨出有希望的μ子對。背景指的是許多會產生類似軌跡或粒子組合的其他過程。研究人員接著檢視每對μ子的不變質量，這個量由μ子的能量與動量計算而得，可用來辨識其母粒子的質量。
質量分布中可見Bs0衰變的訊號，在較低的B0質量位置則有較小的訊號。LHCb會將這些訊號與背景一併套合，以估算每種衰變的數量。
B0的產生數量帶來一項優勢。根據LHCb資料，對撞機每產生一個Bs0介子，就會產生約四個B0介子。雖然單一B0衰變成兩個μ子的機率約低30倍，但B0數量較多，使預期事件數的差距縮小到約七倍。這項比較有助於說明，當資料量足夠大時，如何得以研究更罕見的過程。
這項結果如何揭示未知粒子
標準模型對兩種衰變機率都提出精確預測。超越標準模型的理論可能引入影響衰變過程的粒子，改變這些預測；即使這些粒子沒有在探測器中直接以可見粒子的形式產生，也可能造成影響。
LHCb列舉了額外希格斯玻色子、Z′向量玻色子及輕子夸克作為例子。這些是不同理論延伸所假設的粒子。它們可能造成的影響，使罕見衰變成為間接搜尋新物理的方法，探測特定碰撞實驗直接觸及能量範圍以外的現象。
負責操作實驗並進行分析的LHCb合作團隊如此描述最新測量結果：
今天公布的結果與標準模型相符，並能更精確地限定這些新模型可能存在的參數範圍
實際上，這項結果縮小了仍與實驗相容的假設粒子質量與交互作用強度組合範圍。在LHCb對兩種分支比進行的聯合分析中，標準模型的預測落在68.27%信賴區間內；這個區間反映測量的不確定性。
為何壽命測量能提供另一項檢驗
LHCb也測量了衰變成μ子對的Bs0介子有效壽命。結合Run 1、Run 2與Run 3的資料後，測得的數值為1.60 ± 0.16 ± 0.01皮秒，與標準模型的預測相符。
一皮秒是兆分之一秒。第一項不確定度反映測量的統計限制；第二項則涵蓋測量方法帶來的系統效應。統計不確定度大得多，顯示增加資料量可能帶來的價值。
有效壽命描述所選Bs0樣本的衰變時間分布。某些標準模型延伸理論即使不太改變產生兩個μ子的總機率，仍可能改變這些衰變隨時間的分布。因此，同時測量發生頻率與時間，比單純計算衰變數能檢驗更多可能性。
B0與Bs0分支比的比值則提供另一種比較。某項假設理論必須同時解釋兩種過程的關係及各自的發生率。LHCb最新結果透過單一分析，整合了這些不同的檢驗。
探索最小尺度的下一步
LHCb已將新結果投稿發表，並在CERN的一場研討會上報告；該研討會為合作團隊與理論物理學家共同舉辦的工作坊揭開序幕。實驗方面眼前的任務，是收集足夠的額外證據，讓B0訊號朝觀察門檻邁進，並更精確地測量其發生機率。
根據合作團隊說法，LHCb在下一個十年中期進行的進一步升級，可望再將資料收集速率提高一個數量級，也就是約十倍。這將有助於利用兩種罕見衰變進行更嚴格的檢驗。
「zeptoverse」（zepto世界）一詞用來描述研究人員希望透過這類精密測量探查的極小距離。一個zeptometre（仄米）是十億分之一兆米。罕見衰變提供一條間接途徑，探查與極小距離及高能量相關的效應。
暗物質，以及宇宙中的物質為何多於反物質，仍是搜尋標準模型以外物理的重要動機。本文公布的發現則更為具體：一種既有理論所預測的罕見衰變已達到證據門檻，而其測得的行為也讓研究人員能更嚴格地限制替代理論。
重點摘要
- LHCb公布單一實驗首次取得B0 → μ+μ−衰變證據；這項搜尋始於1984年。
- 2024年與2025年的資料達到3個標準差；結合先前運轉時期的資料後，顯著性升至3.2。
- 標準模型預測，每100億次B0衰變中約有一次會發生這種衰變。
- 最新衰變測量結果與標準模型相符，並縮小額外粒子可能存在的範圍。
- LHCb測得相關Bs0衰變的有效壽命為1.60 ± 0.16 ± 0.01皮秒。
- 要宣告觀察到B0衰變，仍須達到5個標準差。
