首次观测到轻子衰，或将揭示标准模型之外的新物理学！

Jacqueline季

来自北京光谱仪III合作，一个由来自世界各地大学进行粒子物理研究的大型研究人员组成的团队，现在报告了首次观测到轻子衰变D+→τ+ντ，这一观察结果发表在《物理评论快报》上，为在D衰变中进一步测试mu/tau普适性开辟了可能性。在这项研究之前，只有一个与相同轻子衰变相关的实验结果，是由另一组称为CLEO协作的研究人员收集。然而，CLEO的合作并没有观察到D+→τ+ντ的信号。

只能设定一个上限，这个上限只比标准模型对这种衰变速率的预测大20%。在新研究中，北京光谱仪III（BESIII）的合作小组开始进一步研究这种衰变，希望大量数据样本将使新的发现成为可能。研究团队认识到，零结果同样或更令人兴奋，因为它可能揭示标准模型之外的新物理。然而，存在重大挑战，即使数据样本是CLEO的3.6倍，也需要更好地理解背景过程和对实验系统学的控制。研究人员在Psi(3770)共振能量下使用BEPCII正负电子对撞机中：

正电子湮没产生了原始的事件样品，每个样品只有一个D+和一个D-介子。研究人员选择了D-被完全重建的事件，并测试其余事件是否与D+→τ+ντ一致，后者只贡献一个带电粒子。领导这项研究的明尼苏达大学研究员Hajime Muramatsu博士说：即使在干净的北京光谱仪III环境中，这个简单的信号，也有可能淹没信号的高速率背景过程。抑制其中最大的两个，D+->pi+pi0和D+->pi+K_L，是科学家在设计测量时最关心的问题。

当这些过程不完全或不正确地重建时，它们可能被误认为我们的信号，为了分析，研究人员提出了两种新的背景抑制工具。北京光谱仪III合作设计的两种背景抑制工具之一，需要消除丢失动量点在有源探测器外部的事件，以避免将逃逸粒子误认为无法检测到的中微子。丢失的动量是根据湮没电子和正电子的性质，以及检测到的末态粒子来计算。另一方面，研究人员设计的第二个工具，根据探测器电磁量热计产生的额外能量沉积，通过拒绝背景事件来工作。

这一特殊要求有效地接受信号事件，对于这些事件，唯一额外的粒子是穿透探测器而不留下痕迹的中微子。北京光谱仪III合作对轻子衰变D+→τ+ντ的观测，填补了粒子物理标准模型中的一个重要空白，使得能够对该模型进行新的测试。标准模型的一个关键特征是“轻子普适性”，它要求电子、子和tau在所有相互作用中的行为几乎完全相同。参与这项研究的明尼苏达大学研究员罗恩·波林(Ron Poling)教授表示：对B介子衰变的测量表明，可能违反了轻子普适性。
这使得对介子D和D进行测试变得更加有趣。有许多关于Ds+->tau+nu的结果有些分散，但与标准模型预测基本一致。由于以前从未见过D+->tau+nu，本研究提供了第一次机会来测试D衰变中mu/tau的普遍性。研究表明，在实验不确定性范围内，轻子衰变D+→τ+ντ速率符合理论预期，从而增强了对标准模型的信心。根据~3/fb e+e湮没数据收集的D+→τ+ντ的第一次测量，在统计上是有限的（即，衰变率和轻子普适性检验的相对统计不确定性为20%）。
将来，更大的数据集和额外统计数据可以为更具体的测量铺平道路。北京光谱仪III发言人袁昌正教授时表示：北京光谱仪III和北京光谱仪II计划在不久的将来获取更多数据，并升级加速器和探测器的能力，我们已经提议在未来收集20/fb的psi(3770)数据，将D+->tau+nu测量的相对统计误差降低到8%以下。北京光谱仪III还将使用这个和其他能量的大量数据样本来完善对Ds介子类似衰变的理解，并扩展对介子、重子和其他状态的许多其他研究。

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参考期刊《物理评论快报》
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