北京谱仪III实验发现新的D介子纯轻衰变

内容来源：中国科学院

11月22日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了北京谱仪III（BESIII）合作组发现D介子第二种纯轻衰变D+→τ+ν以及利用这个测量检验“轻子味道普适性”的结果。本篇作为编辑推荐文章发表。

纯轻衰变过程D+→τ+ν中粲夸克和反下夸克通过一个虚的W玻色子湮灭成带电和中性轻子对。精确测量D+ →τ+ν的衰变率并与之前发现的另一种纯轻衰变D+→ μ+ν对比，能够对标准模型预期的“轻子味道普适性”提供非常清楚的检验，并检测可能存在的新物理效应。

利用BESIII实验在正负电子对撞质心系能量3.773GeV处采集的世界上最大的近阈D介子对数据，科研人员共选择了约1500万D介子对，并从中鉴别出137±27个 D+→τ+ν信号事例，研究证明信号的统计显著性大于5倍标准偏差（由本底涨落造成假信号的几率小于千万分之六），这在国际上属于首次观测到D介子的第二种纯轻衰变D+→τ +ν，并测得该过程的分支比为(1.20±0.27)×10-3。联合这一结果和D+→μ+ν 分支比的世界平均值（由此前BESIII测量结果主导），研究人员计算了二者的比值为3.21±0.65，且与基于标准模型轻子味道普适性预言的2.67在误差范围内一致，这表明在现在的实验精度下，轻子味道普适性成立。著名理论物理学家、以色列特拉维夫大学教授Marek Karliner评论道：“最近人们开始动摇对轻子味道普适性的信念，这个结果的发布正逢其时。”

尽管纯轻衰变D+→τ+ν的首次观测是一个重要突破，但该测量的精度依然受限于数据量的大小。采集更大的数据样本进一步提高测量精度是未来BESIII运行和北京正负电子对撞机升级的一个重要目标。

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上图左为纯轻衰变D+→τ+ν的费曼图，右为BESIII探测器中记录的其中一个 D+→τ+ν事例；下图横坐标0附近为D+→τ+ν信号，小图中信号右侧的大峰和阴影都来自本底过程。