研究D介子混合

原创周书华编译中国物理学会期刊网

本文选自《物理》2021年第11期

(中国原子能科学研究院周书华编译自Soeren Prell. Physics，September 7，2021)

一个中性介子D⁰可以振荡到它的反粒子

，因为每个粒子是介子D₁和D₂的两个质量本征态的量子叠加。通过研究D介子振荡，LHCb合作组能够测量这两个本征态之间微小的质量差

新粒子可在高能粒子碰撞中直接产生，另一种寻找新粒子的途径则涉及量子力学过程。在这个过程中，一个粒子转变成自己的反粒子，然后再转回来。这种现象称为混合，可以在中性介子中发生，首先于1950年在K⁰介子中被观测到。混合会受到介子振荡过程中耦合到的其他粒子的影响，从而可能发现这些粒子。

介子的寿命很短。但是4个中性介子——K⁰(由一个d夸克和一个

反夸克组成)，

，

，以及

的寿命足够长，因此它们可在衰变前转变成自己的反粒子。每一个可观测的粒子P都是一个纯粒子态P⁰(

)和一个纯反粒子态

的线性组合。对于两态叠加的量子系统，薛定谔方程预测了P振荡随时间的演化，介子振荡是因为P⁰和

不是系统哈密顿量的质量本征态。本征态是P⁰和

的对称与反对称的组合，各本征态具有不同的质量和寿命。混合速率由两个参数控制：x (正比于两个本征态的质量差)和y (正比于两者的寿命差)。

介子混合是通过P⁰和

衰变的中间态发生的。例如，D⁰和

可以衰变成一对π介子。其他中间态有虚粒子，如W玻色子，其质量比D⁰介子大得多。如此重的中间态会影响x 值，对x 测量可能揭示对撞机不能产生的重粒子的存在。1987年

混合的发现测得了一个x 值，意味着中间态涉及一个重粒子——顶夸克。

D⁰是4个P⁰介子中唯一尚未测量x 值的，也是其中唯一包含上类夸克(u，c，t)的介子，而其他的则包含下类夸克(d，s，b)。D⁰混合可能比另外3种介子与其他粒子的耦合更灵敏。

合作组LHCb在2013年发现了D⁰—

混合，所使用的技术是在D介子生成后经13个不同延迟时研究D介子(D⁰或

)。他们比较了两种衰变的速率，第一种是所谓的“正确符号”(RS)衰变D⁰→K⁻π⁺，由于弱相互作用有利于这种衰变，从而以高速率进行。第二种是“错误符号”(WS)衰变D⁰→K⁺π^-，可直接通过不利的D⁰→K⁺π^-衰变或者间接地通过D⁰到

的振荡，再通过有利的衰变到同样的末态K⁺π^-。与RS衰变相比，WS衰变是受到“抑制”的。所观察到的WS—RS比值随时间线性地增加，这是由于介子混合而产生

的信号。从该实验只能确定y，这是因为他们观测到的WS—RS信号与x 无关。

在新的测量D⁰—

混合的实验中，LHCb使D⁰衰变到不同的末态——3粒子态

，其中K_s⁰是中性短寿命的K介子。几个中间态中有一些涉及矢量介子K^∗。例如，WS衰变D⁰→K^∗+π⁻，继而发生K^∗+→K_s⁰π⁺衰变。相应的RS衰变为D⁰→K^∗-π⁺，继而发生K^∗⁻→K_s⁰π^-衰变。实验中，RS衰变和WS衰变在3粒子像空间的不同区域累积，并在8个不同区域测量WS—RS比值。如理论指出的那样，每个区域中的比值对于不同x 和y 的组合很灵敏。通过分析这些区域中WS—RS比值与衰变时间的关系，可以确定x 和y。

LHCb测量到x 与0相差7个标准偏差，并以同样的统计置信度确定了两个介子本征态之间的质量差为3×10^-39g。x 值落在标准模型所预言的范围，因此没有提供关于新的重质量粒子的证据。然而，这一测量使理论家可以对可能存在的新粒子的性质提出约束。此外，对x 的测量将有助于寻找D系统中的电荷—宇称(CP)对称性破缺，或物质到反物质振荡(D⁰到

)与反物质到物质振荡(

到D⁰)之间的细微差别。D⁰与

行为之间的轻微不同是解决科学中的奥秘之一——为什么宇宙中物质远多于反物质的关键。

《物理》在淘宝店和微店上线，扫码即可购买过刊和现刊。