Search for the decays $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$ at LHCb

LHCb 实验利用 7、8 及 13 TeV 质子 - 质子对撞数据，对稀有衰变 $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$ 进行了搜索，并分别给出了 $B_s^0$ 和 $B^0$ 衰变分支比在 90% 置信水平下的最新上限，其中 $B_s^0$ 的极限较此前结果提高了 2.5 倍。

要点

这是一篇来自欧洲核子研究中心（CERN）LHCb 实验团队的科学报告。为了让你轻松理解，我们可以把这篇论文想象成一群顶级侦探在巨大的粒子迷宫里，寻找两个极其罕见的“幽灵”踪迹。

以下是用通俗语言和生动比喻对这篇论文的解读：

1. 他们在找什么？（寻找“幽灵”）

想象一下，有一种叫 $B^0_s$ 和 $B^0$ 的微观粒子（你可以把它们想象成极其不稳定的“微型炸弹”）。通常情况下，它们爆炸后会变成一堆普通的碎片。

但科学家预测，偶尔（非常非常偶尔），这些“微型炸弹”在爆炸时，会神奇地变出一个光子（光粒子，就像一道闪光）和一个$J/\psi$粒子（一种由夸克组成的“重”粒子）。

• 比喻：就像你扔出一个普通的苹果，它落地时不仅没碎，反而突然变成了一只发光的蝴蝶和一块金子。这种“变身”在自然界中极难发生，被称为“稀有衰变”。

2. 他们是怎么找的？（在噪音中听针落地的声音）

LHCb 实验就像是一个巨大的粒子加速器，它让质子（氢原子核）以接近光速对撞，产生海量的粒子。

• 数据量：这次分析收集了相当于 9 个“百万分之一秒”内产生的所有粒子数据（9 fb⁻¹ 积分亮度）。这就像是在一场超级拥挤的摇滚音乐会上，试图听清其中一个人轻轻咳嗽的声音。
• 侦探工具：
  • 过滤器（触发器）：就像在人群中只盯着那些穿着特定颜色衣服的人。
  • 重建（离线选择）：把那些可能变成“光子和$J/\psi$"的碎片拼凑起来。
  • 转换光子：因为光子很难直接抓，科学家利用光子在探测器里变成“电子 - 正电子对”（像光子分裂成一对双胞胎）的特性来间接捕捉它们。这就像通过观察蝴蝶留下的脚印来确认蝴蝶的存在。

3. 遇到了什么困难？（背景噪音太大）

在寻找这两个“幽灵”的过程中，最大的敌人是背景噪音。

• 比喻：想象你在找一根特定的针（信号），但地上已经堆满了成千上万根看起来很像针的稻草（背景噪音）。
• 主要干扰：有些粒子衰变时，会“假装”成我们要找的信号。比如，$B$ 粒子衰变时少了一个光子，或者多了一个看不见的粒子，导致计算出的质量刚好和我们要找的“幽灵”很像。
• 解决方案：科学家使用了**“智能筛选器”（BDT 分类器）**。这就像是一个经过严格训练的 AI 侦探，它能根据粒子的飞行轨迹、速度、角度等成千上万个细节，把真正的“幽灵”和那些“冒牌货”区分开来。

4. 结果如何？（没抓到，但排除了很多可能性）

经过对海量数据的仔细分析，他们没有发现确凿的证据证明这种“幽灵”存在。

• 现状：数据看起来和“根本没有这种幽灵”的假设完全一致。就像你在森林里找了很久，没看到独角兽，只看到了很多马。
• 虽然没找到，但很有价值：
  • 他们设定了一个**“上限”**。这就好比说：“虽然没抓到独角兽，但如果它真的存在，它的数量绝对少于每 100 万只马里有 2.9 只。”
  • 具体数字：
    • $B^0_s \to J/\psi\gamma$ 的分支比（发生概率）小于 2.9 × 10⁻⁶（百万分之 2.9）。
    • $B^0 \to J/\psi\gamma$ 的分支比小于 2.5 × 10⁻⁶。
  • 进步：这个结果比 LHCb 之前的记录提高了 2.5 倍。就像以前的侦探只能说“可能少于 100 只”，现在的侦探能精确到“少于 40 只”。

5. 这意味着什么？（对物理学的意义）

• 打击了某些理论：以前有些理论模型预测这种“变身”发生的概率会比较高（比如百万分之 5）。现在科学家说“不可能有那么多”，直接排除了这些理论模型（置信度高达 99.7%）。
• 为未来指明方向：虽然这次没抓到，但排除了错误的选项，让科学家知道哪些理论是错的，哪些是对的。
• 新物理的线索：如果未来随着数据更多，真的发现了这种衰变，那将是一个惊天大新闻！因为它可能暗示着**“标准模型”之外的新物理**（比如右-handed 电流或内禀粲夸克），就像在牛顿力学之外发现了量子力学一样。

总结

这篇论文就像是一份**“寻宝报告”。
LHCb 团队在 9 年的数据海洋里，用最高精度的仪器和超级计算机，极其细致地搜寻了两种极其罕见的粒子衰变。虽然这次没有发现宝藏（信号），但他们把藏宝图的范围缩小了 2.5 倍**，并告诉全世界的物理学家：“这里没有宝藏，别找了；但如果在更深的地方（更小的概率）有，那一定是某种全新的、未知的魔法。”

这不仅是技术的胜利，更是人类探索宇宙基本规律、不断逼近真理的又一步。

技术摘要

这是一份关于 LHCb 合作组最新研究论文《Search for the decays $B^0_{(s)} \to J/\psi\gamma$ at LHCb》（CERN-EP-2026-060）的详细技术总结。该论文发表于 2026 年 4 月，基于 LHC Run 1 和 Run 2 的数据，对稀有衰变 $B^0_s \to J/\psi\gamma$ 和 $B^0 \to J/\psi\gamma$ 进行了搜索。

1. 研究背景与问题 (Problem)

• 物理动机：$B^0_{(s)} \to J/\psi\gamma$ 衰变属于纯湮灭型（pure annihilation-type）辐射衰变。在标准模型（SM）中，这类过程通过 $b$ 夸克与轻味夸克之间的 $W$ 玻色子交换发生（如图 1 所示）。
• 理论预测的不确定性：SM 下的分支比预测值依赖于因子化方案（factorization schemes），预测范围在 $1.5 \times 10^{-7}$ 到 $5 \times 10^{-6}$ 之间（针对 $B^0_s$），而 $B^0$ 的分支比则至少低一个数量级。预测值的差异源于对短距离微扰项和长距离非微扰贡献的处理方式不同。
• 新物理探针：这些衰变对标准模型之外的物理（BSM）非常敏感。例如，$B$ 介子中的内禀粲夸克（intrinsic charm）或右手流（right-handed current）可能导致衰变率显著增强。此外，一旦观测到，光子的极化和 CP 不对称性测量将揭示更多底层物理机制。
• 现状：此前 BaBar 和 LHCb 仅给出了上限。LHCb 之前的 Run 1 分析给出的 90% 置信度（CL）上限为 $B(B^0_s \to J/\psi\gamma) < 7.3 \times 10^{-6}$，已接近理论预测的上限。

2. 方法论 (Methodology)

该分析基于 LHCb 实验收集的质子 - 质子碰撞数据，总积分亮度为 9 fb$^{-1}$（Run 1: 3 fb$^{-1}$ @ 7/8 TeV; Run 2: 6 fb$^{-1}$ @ 13 TeV）。

2.1 事件重建与选择

• 衰变链：$B^0_{(s)} \to J/\psi \gamma$，其中 $J/\psi \to \mu^+\mu^-$，光子 $\gamma$ 通过在探测器中转化为电子 - 正电子对（$e^+e^-$）进行重建。
• 光子转化分类：根据转化位置将候选者分为两类：
  • Long（长）：转化发生在顶点探测器内，电子/正电子轨迹可被完整重建。
  • Downstream（下游）：转化发生在顶点探测器之后，仅能重建部分轨迹段。
• 触发与离线选择：
  • 硬件触发要求高 $p_T$ 缪子或双缪子。
  • 软件触发要求双缪子不变质量 $> 2.7$ GeV 且顶点与主顶点（PV）分离。
  • 离线选择要求缪子 $p_T > 500$ MeV，良好的轨迹拟合质量，以及显著的非零撞击参数（IP）。
  • 光子转化对要求 $p_T > 1$ GeV，且不变质量 $< 60$ MeV (Long) 或 $< 100$ MeV (Downstream)。
• 运动学拟合：对 $J/\psi$ 质量进行约束，并约束 $B$ 介子源自最佳拟合的主顶点，以提高重建质量分辨率。
• 背景抑制：
  • 使用两个Boosted Decision Tree (BDT) 分类器：一个用于抑制组合背景（$J/\psi$ 和 $\gamma$ 来自不同源），另一个用于抑制部分重建的 $B$ 介子衰变背景（如 $B^0 \to J/\psi\pi^0$, $B^0_{(s)} \to J/\psi\eta$ 等，这些过程因丢失光子而可能落入信号区）。
  • 针对 Long 和 Downstream 类别分别训练 BDT。

2.2 拟合策略

• 独立搜索：分别独立搜索 $B^0_s \to J/\psi\gamma$ 和 $B^0 \to J/\psi\gamma$。在搜索 $B^0_s$ 时假设 $B^0$ 贡献为零，反之亦然。
• 质量谱拟合：对 $m(J/\psi\gamma)$ 分布进行非分箱最大似然拟合（Unbinned Maximum-Likelihood Fit）。
  • 信号模型：修正的 Crystal Ball 函数（DSCB），包含高斯核心和幂律拖尾。分辨率参数通过模拟和 $B^0 \to K^{*0}\gamma$ 数据对比进行校准。
  • 背景模型：
    • 部分重建背景（$B \to J/\psi\eta, \pi^0$ 等）：使用 ARGUS 函数或 DSCB 函数（针对 $\pi^0$）卷积分辨率函数。
    • 组合背景：使用三阶 Bernstein 多项式。
• 归一化：信号产额相对于 $B^0 \to J/\psi\pi^0$（在 Downstream 类别中）进行归一化，利用已知的分支比、选择效率和碎裂分数（fragmentation fractions）进行约束。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

1. 数据集升级：首次结合了 LHC Run 1 和 Run 2 的完整数据（9 fb$^{-1}$），显著增加了统计量。
2. 分析方法优化：
   • 利用光子转化技术（Conversion photons）显著提高了质量分辨率，并有效抑制了部分重建背景。
   • 引入了针对 Long 和 Downstream 类别的独立 BDT 分类器，优化了信号显著性。
   • 在拟合中更精确地处理了系统误差，包括质量分辨率参数、背景形状参数以及外部测量值（如分支比和碎裂分数）的高斯约束。
3. 系统误差控制：详细评估了质量分辨率、背景模型、选择效率及外部输入参数的不确定性，并将相关性纳入似然函数中。

4. 研究结果 (Results)

• 观测结果：在 $B^0_s$ 和 $B^0$ 的信号区域均未观察到显著的信号峰。数据与背景假设一致，显著性低于 $2\sigma$。
• 分支比测量值（统计误差 + 系统误差）：
  • $B(B^0_s \to J/\psi\gamma) = (1.34 \pm 0.78 \pm 0.33) \times 10^{-6}$
  • $B(B^0 \to J/\psi\gamma) = (0.61 \pm 0.50 \pm 0.18) \times 10^{-6}$
• 上限设定（使用 CLs 方法）：
  • $B^0_s \to J/\psi\gamma$: 90% CL 上限为 $2.9 \times 10^{-6}$，95% CL 上限为 $3.4 \times 10^{-6}$。
  • $B^0 \to J/\psi\gamma$: 90% CL 上限为 $2.6 \times 10^{-6}$，95% CL 上限为 $3.5 \times 10^{-6}$。
• 理论排除：
  • 基于微扰 QCD 的预测值 $5 \times 10^{-6}$ 被以 99.7% CL 排除（CLs 值为 0.0029）。
  • 该结果优于 LHCb 之前的 Run 1 结果，$B^0_s$ 的上限提高了 2.5 倍。

5. 意义与展望 (Significance)

• 标准模型检验：虽然未观测到信号，但新的上限进一步压缩了理论参数空间，排除了部分基于微扰 QCD 的高分支比预测模型。
• 新物理限制：更严格的上限对解释内禀粲夸克或右手流等新物理模型提出了更严苛的约束。
• 未来潜力：目前的灵敏度主要受限于统计误差（统计误差约 58-82%，系统误差约 25-29%）。随着未来 LHC 数据集的扩大，该分析有望达到理论预测的精度，从而可能首次观测到这些稀有衰变，或进一步揭示标准模型之外的物理现象。
• 技术验证：该分析展示了利用光子转化技术在强子对撞机中重建稀有辐射衰变的有效性，为未来类似过程的研究提供了范例。

总结：这篇论文代表了 LHCb 在稀有 $B$ 介子辐射衰变研究领域的最新进展。通过利用 Run 2 数据优化分析策略，显著提高了对 $B^0_{(s)} \to J/\psi\gamma$ 衰变的敏感度，虽然仍未发现信号，但将实验上限推向了理论预测的核心区域，并排除了部分理论模型，为未来的高精度测量奠定了基础。