经过超过40年的持续探索，欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家终于发现了一种极其罕见的亚原子粒子衰变现象的证据。这项成果来自大型强子对撞机（LHC）上的升级版LHCb实验装置。研究人员首次获得了足以支持这种罕见衰变存在的实验信号，为检验粒子物理学标准模型提供了一个全新的研究窗口，同时也为寻找尚未被发现的基本粒子和未知自然力创造了机会。
此次发现涉及一种被称为Bd介子衰变为两个μ子（Bd → μ⁺μ⁻）的过程。所谓Bd介子，是一种包含底夸克和反下夸克的短寿命粒子。在此次衰变过程中，它会转变为两个μ子。μ子与电子属于同一类基本粒子，但质量约为电子的207倍。
这种衰变之所以特别引人关注，是因为它发生的概率极低。研究人员估计，每产生约100亿个含有底夸克的相关粒子，才可能出现一次这样的衰变。对于粒子物理实验而言，这相当于在海量碰撞产生的数据中寻找一个极其微弱的信号。
在原子核内部，质子和中子由更基本的夸克组成，其中包括上夸克和下夸克。底夸克则属于同一夸克家族，但质量要大得多。大型强子对撞机通过让高能粒子相互碰撞，可以大量产生含有底夸克的粒子。不过，这些粒子的寿命极短，通常只有约1.5万亿分之一秒，随后便会发生衰变。
LHCb实验的主要任务之一，就是研究这些短寿命粒子的衰变过程。科学家希望通过精确测量它们的衰变方式和发生概率，寻找现有物理理论无法解释的异常现象。
此次实验获得的信号统计显著性达到3.2个标准差（3.2σ）。在粒子物理学领域，这已经足以将其称为发现了衰变的实验迹象，也就是所谓的Evidence，但距离正式宣布发现仍有差距。按照国际粒子物理学界通常采用的标准，只有统计显著性达到5σ，才能正式宣称发现一种新的物理现象。
曼彻斯特大学物理与天文学系主任克里斯·帕克教授将这种衰变的罕见程度比喻为：一个人第一次参加约会，就在全世界所有人当中找到了最完美的伴侣。这个比喻形象地说明了实验人员需要面对多么低的事件发生概率。
不过，这项研究的真正价值并不仅仅在于确认了一种罕见衰变的存在，更重要的是，它为寻找标准模型之外的新物理提供了一种非常敏感的实验手段。
粒子物理学标准模型是目前人类描述基本粒子及其相互作用最成功的理论框架，能够解释已知基本粒子的性质以及它们之间的电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。然而，科学家普遍认为，标准模型并不是自然界的最终理论，因为它无法完整解释暗物质、暗能量以及中微子质量等一系列重要问题。
某些尚未被发现的新粒子，即使无法在大型强子对撞机中被直接制造或观测，也可能通过量子效应影响已知粒子的衰变概率。
这正是研究极其罕见衰变的重要原因。假如存在标准模型之外的新粒子，它们可能改变Bd介子衰变为两个μ子的概率。科学家只需要将实验测得的衰变率与标准模型的理论预测进行比较，就有机会发现这些未知粒子留下的间接痕迹。
理论上，衰变过程越罕见，对某些新物理效应的变化就可能越敏感。因此，这类实验被认为是寻找隐藏粒子和未知相互作用的重要途径。
此次测量结果与标准模型的预测相符，并没有显示出明显偏差。但这并不意味着研究已经结束。相反，随着实验数据不断增加，科学家能够以更高精度测量这种衰变的发生概率。如果未来测量结果与理论预测出现无法解释的差异，就可能意味着标准模型之外存在新的物理规律。
研究人员将这一探索方向称为Zeptoverse，即泽普托尺度世界。一个泽普托米（zeptometer）等于10的负21次方米，也就是万亿分之一纳米。在如此微小的尺度上，科学家希望探索是否存在目前尚未被发现的粒子和基本相互作用。
曼彻斯特大学教授、LHCb国际合作组副物理协调员康纳·菲茨帕特里克表示，全球物理学家已经为寻找这种衰变现象努力了40多年。它被认为是探索现有知识之外新物理效应的重要研究渠道。此次终于获得实验信号，不仅拓展了人类对自然基本规律的认识，也为未来利用更多实验数据寻找新物理提供了基础。
这项成果能够实现，与LHCb探测器近年来的大规模升级密切相关。其中一个关键设备是顶点定位器（Vertex Locator），它是一套由硅像素探测器组成的精密追踪系统，距离大型强子对撞机的粒子束仅约5毫米。
当高能粒子发生碰撞后，会产生大量不同类型的次级粒子。顶点定位器能够以极高精度追踪这些粒子的运动路径，帮助研究人员确定短寿命粒子产生的位置，以及它们最终发生衰变的位置。
对于此次研究而言，这项技术尤为重要。由于底夸克相关粒子的寿命极短，衰变位置与原始碰撞位置之间的距离可能非常微小。如果探测器无法准确区分这些位置，研究人员就很难从海量碰撞事件中识别出真正的目标信号。
曼彻斯特大学的研究人员在探测器升级过程中发挥了重要作用，包括参与开发相关探测技术和制造关键设备。项目负责人斯特凡诺·德卡普阿表示，英国研究团队与近90家英国企业合作完成了探测器的建造，同时培养了新一代掌握相关先进技术的科学家和工程师。
此次LHCb升级项目历时约15年，由来自全球的1900名科研人员参与。曼彻斯特大学团队在探测器建设、技术开发以及实验数据分析方面均发挥了重要作用。
升级后的LHCb实验装置预计能够以此前最高约5倍的速度收集数据，并持续积累到2030年代初期。这意味着研究人员未来将获得规模更大的粒子碰撞数据集，从而更加精确地测量各种极其罕见的衰变过程。
此外，研究团队还计划进行下一阶段升级，届时数据采集速度有望在现有基础上再提高约10倍。这将进一步增强实验对未知粒子的探测能力，使科学家能够研究更加微小尺度上的物理现象。
著名英国物理学家布莱恩·考克斯教授也对这项成果给予了积极评价。他虽然没有直接参与此次实验，但认为这是一项重要的科学进展，也是科学研究如何通过改进实验设备不断深入认识自然界的典型案例。
他指出，科学家升级仪器之后，往往能够以更高精度观察自然现象。有时，新的测量结果会出现此前无法解释的情况，而正是这些异常推动了科学理论的发展。至于这种进步最终只是逐步完善现有理论，还是会带来改变整个物理学领域的重大突破，目前无人能够预知。
此次研究由英国曼彻斯特大学参与完成，相关实验获得英国科学技术设施委员会通过英国研究与创新机构提供的资金支持。
从40多年的寻找，到如今终于获得3.2σ的实验信号，这项成果标志着科学家在探索极端罕见粒子衰变方面取得了重要进展。不过，真正令人期待的或许还在后面：随着大型强子对撞机继续升级并积累更多数据，研究人员将有机会以更高精度检验标准模型。如果某一天实验结果出现无法解释的偏差，人类或许就能借此窥见标准模型之外的全新物理世界。