2025年8月4日,北京譜儀III(BESIII)實(shí)驗(yàn)在D+介子純輕衰變研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)以世界最高測量精度測量了D+介子的衰變常數(shù)fD+和c→d夸克混合矩陣元|Vcd|。相關(guān)成果以"Precision Measurement of the Branching Fraction of ?D+→μ+νμ"為題,發(fā)表于國際權(quán)威物理期刊《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters 135, 061801 (2025))。
D+介子是一種由一個(gè)粲夸克和一個(gè)反下夸克構(gòu)成的粒子,它會衰變成其它更輕的粒子。研究團(tuán)隊(duì)這次精確測量了它衰變成一個(gè)反繆子(μ+)和一個(gè)中微子(νμ)的概率,這種特定的衰變方式非常“干凈”,因?yàn)樗鼪]有強(qiáng)相互作用力參與,主要涉及粒子間最基礎(chǔ)的弱相互作用力,這使它成為檢驗(yàn)格點(diǎn)量子色動力學(xué)的計(jì)算、夸克混合矩陣的幺正性的絕佳“探針”。
BESIII實(shí)驗(yàn)上獨(dú)特的產(chǎn)生環(huán)境,使研究團(tuán)隊(duì)可以使用雙標(biāo)記技術(shù)更有效地捕捉到衰變中難以探測的中微子信號,顯著提高了測量的準(zhǔn)確度,在該研究領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。研究團(tuán)隊(duì)利用北京正負(fù)電子對撞機(jī)上積累的世界上最大最純凈的6000萬D+介子樣本,完成了D+介子衰變常數(shù)[fD+=(213.5±2.1stat±1.1syst±0.8input ±0.7EM) MeV]和 c→d夸克混合矩陣元(|Vcd|=0.2265±0.0023stat±0.0011syst± 0.0009input ±0.0007EM )的精確測量,將測量精度較此前提升2.3倍,并以接近1%的測量精度開啟了CKM矩陣幺正性精確檢驗(yàn)的新時(shí)代。

圖1. (左)純輕衰變D+→μ+νμ信號和(右)D+介子衰變常數(shù)fD+測量結(jié)果與理論計(jì)算的比較
上述研究由中國科學(xué)院高能物理研究所馬海龍研究員、南開大學(xué)趙明剛教授和鄭州大學(xué)柯百謙教授的研究團(tuán)隊(duì)合作完成。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等資助。