Time-integrated CP asymmetries in meson and baryon decays

本文综述了近期 LHCb 和 Belle II 对强子衰变中时间积分 CP 不对称性的测量结果，重点介绍了在确定 CKM 角 $\gamma$ 方面取得的进展、首次观测到重子衰变中的 CP 破坏，以及对 D 介子直接 CP 破坏的新研究，同时还讨论了未来的前景。

要点

想象一下，宇宙是一个巨大的、复杂的舞池。在这场舞蹈中，被称为“介子”（mesons）和“重子”（baryons）（物质的类型）以及它们的镜像伙伴——“反物质”（antimatter），理应完美同步地起舞。如果你把音乐倒着播放（物理学家称之为“CP 对称性”），舞蹈看起来应该完全一样。

然而，几十年来，物理学家一直知道，对于舞者及其镜像伙伴来说，音乐有时会播放得略有不同。这就是所谓的 CP 破坏（CP violation）。这是宇宙编舞中的一个微小瑕疵，它解释了为什么我们拥有一个由物质组成的宇宙，而不是一片虚无。

这篇由 Alex Gilman 代表 LHCb 和 Belle II 实验提交的论文，是一份关于这些“瑕疵”近期发现的成绩单。以下是他们发现的内容，用通俗易懂的方式进行了解释：

1. “金标准”检查：测量角度 $\gamma$

把标准模型（我们目前的物理规则手册）想象成一只时钟。“CKM 角 $\gamma$”就是时钟上的一个特定设定。如果时钟设置正确，指针应该精确地指向规则手册所指示的位置。

• 实验内容： 科学家观察了某些重粒子（$B$ 介子）如何衰变为较轻的粒子（$D$ 介子和派介子或卡昂）。这就像是在观察一种特定的舞蹈动作，并测量舞者手臂的角度。
• 实验结果： 通过结合两个大型探测器（欧洲的 LHCb 和日本的 Belle II）的数据，他们以惊人的精度测量了这个角度。结果为 $65.7 \pm 2.5$ 度。
• 为什么重要： 这项测量就像是在检查时钟是否走时精准。到目前为止，时钟完全按照规则手册运行。虽然目前还没有发现“损坏的齿轮”（新物理学）的迹象，但由于这项测量现在已经如此精确，如果未来时钟开始走时不准，我们会立即发现。

2. 重大突破：重子中的 CP 破坏

长期以来，我们只在介子（由两个夸克组成的粒子）中看到这些“瑕疵”。而重子（由三个夸克组成的粒子，如质子）则是缺失的拼图碎片。这就像是知道瑕疵发生在客厅里，却从未在厨房里找到它。

• 搜寻过程： 科学家研究了两类重子衰变：
  1. 简单衰变： 一个重子分解为一个质子和一个派介子/卡昂。
  2. 复杂衰变： 一个重子分解为一个质子和另外三个粒子，或者一个 $\Lambda$ 重子和另外三个粒子。
• 发现：
  • 在简单衰变中，他们一无所获。舞蹈正着跳和倒着跳看起来是一样的。这很令人惊讶，因为类似的简单介子衰变确实显示出瑕疵。这表明在简单的重子舞蹈中，“强相互作用”（将粒子粘合在一起的胶水）占据了主导地位，从而掩盖了瑕疵。
  • 在复杂衰变中（即产生多个粒子并相互作用时），他们发现了巨大的瑕疵。具体来说，在 $\Lambda_b^0$ 重子衰变为一个质子和三个派介子的过程中，他们发现物质与反物质之间的差异达到了 5.2 个标准差。
• 比喻： 想象一场简单的双人舞，舞伴们动作完美同步。现在想象一场混乱的四人团体舞，四个人不停地旋转、碰撞。在团体舞中，那个“瑕疵”（CP 破坏）突然变得清晰可见。这就是我们第一次在重子中观察到 CP 破坏，而且它只在舞蹈变得足够复杂并产生“共振”（干涉模式）时才会显现。

3. 粲之谜：$D$ 介子

粲夸克（Charm quarks）是粒子世界里的“中间孩子”。它们足够重，值得关注；但也足够轻，以至于标准模型预测的瑕疵应该极其微小，几乎不可见。

• 谜团： 科学家一直在测量粲粒子衰变为一对派介子或卡昂的频率。他们发现物质与反物质之间的微小差异比规则手册预测的要稍大一些。这就像是看到一只时钟每天比应有的时间快了几秒钟。
• 新测量结果：
  • LHCb 使用了超升级后的探测器来观察一种非常罕见的衰变（$D^0 \to K_S^0 K_S^0$）。他们没有发现显著的瑕疵，这对规则手册来说是好事，但他们的数据采集速度比之前的运行提高了 15 倍。
  • Belle II 观察了其他粲衰变（$D^0 \to \pi^0 \pi^0$ 和 $D^+ \to \pi^+ \pi^0$）。他们在 $D^+$ 衰变中没有发现瑕疵证据（规则手册预测该衰变不应有瑕疵），且其测量精度正在不断提高。
• 结论： “粲”领域是一个敏感的测试。目前的数据有些令人困惑——它暗示规则手册可能略有偏差，但目前还不足以作为确凿的证据。科学家们正在收集更多数据，以观察这些微小的差异是否会演变成重大发现。

总结：下一步是什么？

论文得出结论，我们正处于一个“精密度的黄金时代”。

• 我们已经确认了“时钟”（CKM 角 $\gamma$）目前运行正常。
• 我们终于在“厨房”里找到了“瑕疵”（重子衰变），但只有在舞蹈变得复杂时才会出现。
• 我们正在密切关注“中间孩子”（粲夸克），希望能看到那些微小的差异是否会扩大。

随着来自 LHCb 和 Belle II 的新数据不断涌入，该领域正朝着一个全新的高度迈进，在这个高度，即使是与规则手册最细微的偏差，都可能揭示出全新的物理层面。目前，宇宙仍然主要按照标准模型的旋律起舞，但音乐正变得越来越复杂，而我们也正以前所未有的专注度在倾听。

技术摘要

技术摘要：介子与重子衰变中的时间积分 CP 不对称性

问题与背景
本会议论文综述了近期对强子衰变中时间积分 CP 不对称性的测量结果，重点探讨了标准模型（SM）内弱相互作用与强相互作用之间的相互作用。虽然 CP 破坏在中性介子系统（K 介子、B 介子）中已得到证实，且近期在粲（charm）衰变中也被观测到，但在重子衰变中的表现直到本文所呈现的工作之前一直未被观测到。本文旨在解决分离直接 CP 破坏的挑战，这种破坏源于至少两个具有相对 CP 奇弱相（$\phi$）和 CP 偶强相（$\delta$）的衰变振幅之间的干涉。其目标是测试标准模型的 CKM 机制，约束幺正三角形（特别是角度 $\gamma$），并寻找可能指示超越标准模型（BSM）物理的偏差。

方法论
分析依赖于 LHCb 实验（质子-质子碰撞，$\sqrt{s} = 7\text{--}13.6$ TeV）和 Belle II 实验（在 $\Upsilon(4S)$ 共振峰处的 $e^+e^-$ 碰撞）的数据。数据集包括来自 LHCb 的 Run 1 和 Run 2 数据（约 9 fb$^{-1}$）以及早期的 Run 3 数据（截至 2025 年 8 月高达 16 fb$^{-1}$），以及来自 Belle（0.43 ab$^{-1}$）和 Belle II（0.15 ab$^{-1}$）的数据。

关键方法包括：

• CKM 角度 $\gamma$ 的测定： 利用 $B^\pm \to D K^\pm$ 和 $B^\pm \to D K^{*\pm}$ 衰变，其中 $D$ 介子衰变为 CP 本征态或味特定末态。$D$ 衰变振幅参数受 BESIII 和 CLEO 的量子相关测量约束。
• 重子 CP 破坏： 分析 $\Lambda_b^0$ 和 $\Xi_b^0$ 衰变。为了控制产生和探测不对称性，采用了如 $\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ [\Lambda \pi^+] \pi^-$ 等控制模态。分析涉及对时间进行积分，并且至关重要的一点是，对多体衰变的相空间进行划分，以隔离强相发生变化的共振区域。
• 粲扇区（$D$ 介子）： 测量 $D^0 \to K_S^0 K_S^0$、$D^0 \to \pi^0 \pi^0$ 以及 $D^+ \to \pi^+ \pi^0$ 中的直接 CP 不对称性。通过 $D^{*+} \to D^0 \pi^+$ 衰变或全事件算法实现味标记。探测不对称性通过控制通道（如 $D^0 \to K^+ K^-$ 或 $D^0 \to K_S^0 \pi^+ \pi^-$）进行控制。

主要贡献与结果

1. CKM 角度 $\gamma$ 的进展：

   • 对 $B^\pm \to D K^{*\pm}$ 衰变的 LHCb Run 1 和 Run 2 组合分析得出 $\gamma = (63 \pm 13)^\circ$。
   • 2024 年 LHCb 对所有测量结果的组合结果为 $\gamma = (64.6 \pm 2.8)^\circ$。
   • 2024 年 Belle/Belle II 组合结果为 $\gamma = (75.2 \pm 7.6)^\circ$。
   • 2025 年纳入了多个实验中 100 多个观测量的全球分析确定 $\gamma = (65.7 \pm 2.5)^\circ$。这代表了从 2015 年的 $\sim 7^\circ$ 到 2025 年的 $\pm 2.5^\circ$ 的显著精度提升，显示出不同实验之间极佳的一致性。

2. 首次观测到重子衰变中的 CP 破坏：

   • 二体衰变： 对 $\Lambda_b^0 \to p K^-$ 的分析发现 $A_{CP} = (-1.4 \pm 0.7 \pm 0.4)\%$，与零一致。这与类似的 $B^0 \to K^- \pi^+$ 介子中观察到的 $\sim 10\%$ 不对称性形成对比，表明强动力学在简单的重子拓扑结构中抑制了 CP 破坏。
   • 多体衰变： 2025 年 LHCb 对 $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$ 的分析观测到 $A_{CP} = (8.3 \pm 2.3 \pm 1.6)\%$（$3.1\sigma$）。在特定的共振区域（$m_{K^+K^-} > 2.2$ GeV, $m_{\Lambda K^+} < 2.9$ GeV）中，不对称性增加至 $(16.5 \pm 4.8 \pm 1.7)\%$（$3.2\sigma$）。
   • 包容性观测： 对 $\Lambda_b^0 \to p K^- \pi^+ \pi^-$ 的分析得到了包容性不对称性 $A_{CP} = (2.45 \pm 0.46 \pm 0.10)\%$，构成了重子衰变中 CP 破坏的 $5.2\sigma$ 观测。
   • 共振增强： 在 $p \pi^+ \pi^-$ 共振区域发现了最大的不对称性：$A_{CP} = (5.4 \pm 0.9 \pm 0.1)\%$（$6.0\sigma$）。这证实了多体末态中的干涉共振为 CP 破坏的显现提供了有利条件。

3. 粲衰变中的直接 CP 破坏：

   • $D^0 \to K_S^0 K_S^0$： Belle 和 Belle II 组合分析得出 $A_{CP} = (-0.6 \pm 1.1 \pm 0.1)\%$。LHCb 使用 2024 年数据（Run 3）测得 $A_{CP} = (1.86 \pm 1.04 \pm 0.41)\%$，未发现显著的 CP 破坏证据。Run 3 分析表明，与 Run 2 相比，单位时间内的信号收集效率提高了 15 倍。
   • $D^0 \to \pi^0 \pi^0$： Belle II 测得 $A_{CP} = (0.30 \pm 0.72 \pm 0.20)\%$，尽管使用了一半的亮度，但精度比之前的 Belle 结果提高了 15%。
   • $D^+ \to \pi^+ \pi^0$： Belle II 测得 $A_{CP} = (-1.8 \pm 0.9 \pm 0.1)\%$，与标准模型预测的零（因为只有一个弱振幅贡献）及以往测量结果一致。

意义
该论文声称这些结果代表了味物理领域的重大里程碑：

• 验证标准模型： 对 $\gamma$ 的精确测定确认了 CKM 机制在不同衰变模式和实验中的一致性。
• 重子的新前沿： 对重子衰变中 CP 破坏的首次观测为理解弱相互作用与强相互作用之间关系的测试提供了新的平台。结果强调，强动力学既可以抑制 CP 破坏（在二体衰变中），也可以显著增强它（在多体共振衰变中）。
• 粲扇区的灵敏度： 趋向于亚百分比精度的粲 CP 不对称性测量，允许对标准模型进行严格测试，尽管在这些领域理论不确定性较大，但潜在的 BSM 信号预期也较小。
• 未来前景： 论文强调，升级后的探测器（LHCb Run 3, Belle II）和不断增加的数据集（LHCb 目标在 2026 年达到 23 fb$^{-1}$）将实现前所未有的精度。这使得该领域能够探测到可能预示新物理的、偏离标准模型预测的细微偏差。