Observation of the charmless purely baryonic decay $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} p \overline{p}}$

利用 LHCb 实验的质子 - 质子对撞数据，研究人员以 5.1 倍标准差的显著性观测到了无粲纯重子衰变 $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} p \overline{p}}$，并首次测量了其相对于 $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} K^+ K^-}$ 的分支比。

要点

想象一下，位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就像一条巨大且高速的粒子赛车跑道。科学家们让质子以接近光速的速度相互碰撞，从而引发一场混乱的爆炸，产生大量新的、寿命极短的粒子。这些粒子中，大多数如同转瞬即逝的气泡，瞬间便破裂消失；但其中一些则是稀有而奇特的“生物”，科学家们花费数年时间试图捕捉到它们的身影。

本文讲述的是LHCb 合作组（CERN 的一个特定科学家团队）成功捕捉到其中一种稀有“生物”的故事：一种被称为$\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$的特定衰变类型。

以下是他们如何发现它的故事，以通俗易懂的方式解释：

1. 稀有事件：“纯重子”解体

在粒子物理学世界中，粒子常被归入不同的家族。其中一个家族被称为重子（包括质子和中子）。通常情况下，当一个重粒子解体时，它可能会转变成各种不同类型粒子的混合物。

科学家们寻找的是一种非常特定且“纯粹”的解体方式。他们希望看到一个名为$\Lambda_b^0$（Lambda-b-zero）的重粒子分裂，并仅转变成其他重子：一个$\Lambda$（Lambda）粒子和两个质子（$p$）。

• 类比：想象一辆沉重且复杂的玩具车发生碰撞。通常情况下，它会爆炸成轮子、玻璃和塑料碎片。但这支团队寻找的是一种碰撞，在这种碰撞中，车子 somehow 仅变成了另外三辆玩具车，没有留下任何玻璃或塑料碎片。这就是他们所说的“纯重子”衰变。这是宇宙遵循的一条非常严格且罕见的规则。

2. 挑战：大海捞针

问题在于，这种特定的碰撞极其罕见。每发生一次这种情况，就有数百万次其他更常见、且看起来非常相似的碰撞在发生。

• 类比：想象试图在一堆巨大的沙子里找到一枚特定且独一无二的硬币。更困难的是，这枚独特的硬币看起来几乎与沙堆中那数百万枚其他硬币一模一样。

为了解决这个问题，科学家们使用了一个巧妙的技巧：归一化模式。
他们不是试图精确计算找到了多少枚独特的硬币（这很难，因为他们不知道沙堆的总大小），而是寻找一种略有不同但非常相似的硬币，而他们已经知道如何找到它。

• 他们将稀有的“全质子”碰撞（$\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$）与更常见的“质子加介子”碰撞（$\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$）进行比较。
• 通过比较两者，许多混乱的变量（如沙堆的大小或他们的硬币筛选机有多好）相互抵消了。这就像说“我们每找到 20 枚普通硬币，就找到 1 枚稀有硬币”，这比计算宇宙中硬币的总数要容易得多。

3. 过滤器：清理混乱

他们收集的数据充满了“噪声”——由粒子行为异常或其他看起来相似的衰变类型引起的虚假信号。

• “粲”否决：科学家们必须非常小心，忽略来自“粲”夸克（一种不同类型的粒子家族）的粒子。他们设置了数字过滤器，规定：“如果这看起来像是来自粲粒子，就将其剔除。”
• “共振”过滤器：他们还必须忽略那些粒子短暂形成临时、沉重“共振”（如短寿命的中间步骤）的情况。他们设定了一条规则：“如果粒子的组合重量过重（超过 2.85 GeV），则忽略它。”这确保了他们只关注他们想要的直接、纯粹的解体过程。

4. 结果：“5 西格玛”发现

在将数据输入复杂的计算机模型并进行统计测试后，结果非常清晰：

• 信号：他们在稀有衰变发生的数据中找到了一个清晰的“峰值”。
• 显著性：在科学界，"5 西格玛”结果是黄金标准。这意味着该结果仅仅是随机巧合的概率低于三百万分之一。
• 比喻：这就像抛硬币 100 次，每次都得到正面。你现在可以 100% 确定这枚硬币是被做了手脚的。科学家们现在 100% 确定这种衰变是存在的。

5. 他们测量了什么

他们不仅仅说了“它存在”。他们还测量了它发生的频率，并与常见衰变进行了比较。

• 他们发现，每发生 100 次常见衰变，稀有的“全质子”衰变大约发生5 次。
• 他们以极高的精度计算了这一比率，并考虑了设备和数学中所有可能的误差。

6. 一个小谜团

在查看数据时，他们还看到了一个微小、微弱的“峰值”，它可能是另一种稀有粒子$\Xi_b^0$以类似方式衰变的结果。然而，它的强度不足以构成发现（仅约为 2.3 西格玛）。他们将其标记为“可能”，但并未声称已经发现了它。

总结

简而言之，LHCb 团队成功捕捉到了一种非常罕见、此前从未见过的“纯”粒子解体。他们利用巧妙的比较方法过滤掉了噪声，以高度的统计确定性确认了这一发现，并精确测量了它相对于类似但更常见事件的发生频率。这有助于物理学家理解宇宙的法则，以及物质在最基本层面上是如何转化的。

技术摘要

技术摘要：无粲纯重子衰变 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ 的观测

问题与动机
$b$ 强子衰变到重子末态的研究仍是强子味物理中一个重要但 largely 未开发的领域。尽管近期已观测到若干新的衰变模式，包括无粲四体重子 $B$ 衰变以及首个纯重子 $B$ 介子衰变，但 $b$ 重子的纯重子衰变（即末态仅包含重子的过程）仍十分稀缺。目前，仅测量了两种此类模式：$\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^0 p p$ 和 $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^{*0} p p$。理论预测表明，纯重子衰变（如 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$）因其丰富的自旋结构，为研究 CP 不对称性和时间反演（T）对称性破缺提供了独特的机会。此外，预期在末态双重子对的质量阈值处会出现增强效应。本文通过首次搜寻无粲纯重子衰变 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$，解决了实验数据匮乏的问题。

方法论
本分析利用了 LHCb 实验在质心能量 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下记录的质子 - 质子对撞数据，对应于 Run 2（2015–2018 年）期间采集的 $6.0 \text{ fb}^{-1}$ 积分亮度。

• 信号与归一化： 搜寻目标为 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ 衰变。为了测量分支比，分析采用拓扑结构相似的衰变 $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$ 作为归一化模式。该方法消除了与 $\Lambda_b^0$ 产生截面和积分亮度相关的不确定性。
• 重建： $\Lambda$ 重子通过 $\Lambda \to p \pi^-$ 进行重建。候选事例根据 $\Lambda$ 衰变顶点的位置分为两类拓扑结构：“长 - 长”（LL），即两个子粒子径迹均在顶点探测器中重建；“下游 - 下游”（DD），即 $\Lambda$ 在顶点探测器外部衰变。
• 选择策略：
  • 预选择： 要求高质量径迹、相对于主顶点显著的冲击参数，以及粒子鉴别（PID）以区分质子与 K 介子。
  • 多变量分析： 基于模拟的 $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$ 衰变训练 XGBoost 分类器，利用运动学和拓扑变量将信号与组合背景分离。
  • 粲否决： 为排除中间粲偶素共振态和粲强子的贡献，应用不变质量否决。具体而言，要求伴生强子系统（$pp$或$K^+K^-$）的不变质量满足$m(h\bar{h}) < 2.85$ GeV，明确排除粲偶素区域。额外的否决用于排除中间态 $D^0$、$\Lambda_c^+$ 和 $\Xi_c^+$。
• 效率确定： 相对效率利用模拟计算，并针对跟踪、触发和 PID 中的数据与模拟差异进行修正。为考虑非均匀相空间分布，在方形 Dalitz 变量中构建效率图，并利用数据上的 sPlot 技术进行加权。
• 产额提取： 对信号和归一化候选事例的不变质量分布进行同时非分箱最大似然拟合，涵盖 LL 和 DD 类别以及四个数据取年。拟合模型包括信号分量（由双侧 Crystal Ball 函数建模）、归一化模式中部分重建的 $\Lambda_b^0 \to \Sigma^0 K^+ K^-$ 贡献以及组合背景。

主要贡献与结果

• 首次观测： 本分析报告了 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ 衰变的首次观测。考虑系统不确定性后，利用似然比检验统计量计算得到的信号显著性为 $5.1\sigma$。
• 分支比测量： 测量了 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ 相对于 $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$ 的分支比。结果为：
  $$\frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda p p)}{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-)} = (5.1 \pm 1.3(\text{stat}) \pm 0.3(\text{syst})) \times 10^{-2}$$
  总系统不确定性约为 5.3%，主要由跟踪效率不确定性和拟合建模不确定性主导。
• 信号产额： 拟合得到的信号产额，信号模式为 $39 \pm 10$，归一化模式为 $640 \pm 31$。
• 次要观测： 观测到一个与 $\Xi_b^0 \to \Lambda p p$ 衰变一致的小过量，显著性为 $2.3\sigma$。然而，由于需要专门的效率确定以及对相对强子化分数的了解，未对该模式报告分支比或上限。

意义
本文确立了 $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ 衰变的存在，这是一种罕见的无粲纯重子过程。该测量为此模式提供了首个实验输入，可用于检验关于非因子化效应、CKM 矩阵元以及强子形状因子的理论预测。作者指出，观测到的分支比相对于 $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$ 受到抑制，这与文献 [7] 中的预测一致。该结果补充了现有的介子末态测量，并为研究纯重子系统中的 CP 和 T 对称性破缺开辟了新途径。作者总结道，利用升级后 LHCb 探测器的更大数据集进行的未来分析，将允许对 $\Lambda p p$ 谱进行更详细的研究，包括潜在的阈值增强效应。