Review of flavour physics at ATLAS and CMS

想象一下，大型强子对撞机（LHC）是一条巨大的高速粒子赛道，微小的亚原子粒子以接近光速的速度在此相互撞击。ATLAS 和 CMS 实验则如同两台安置在赛道周围、超灵敏的巨型相机，拍摄数十亿张照片，以观察这些粒子碰撞时发生的情况。

本文是这两台相机的“相册回顾”，特别聚焦于一组特殊的粒子，称为重味粒子。可以将它们想象为粒子世界的“重量级选手”——由重夸克（如底夸克和粲夸克）组成的粒子，其质量远大于构成你身体原子的粒子。

以下是科学家们发现的简要解读：

1. 称量“重量级选手”（产生截面）

科学家们希望了解这些重粒子产生的频率及其行为。

“底偶素”家族：他们研究了一个名为 $\Upsilon$ （Upsilon）的粒子家族，这些粒子是由底夸克组成的重束缚对。他们首次测量了这些粒子在创纪录的能量水平（13.6 TeV）下出现的频率。这就像在将机器功率调至最大时，检查工厂流水线上生产了多少重型卡车。他们发现，这些数值与量子物理（QCD）预测的“蓝图”非常吻合。
“粲”信使：他们还追踪了含有“粲”夸克的粒子。他们测量了这些粒子在探测器中的分布情况（就像雨滴以不同角度落下）。结果与理论模型相符，证实了我们对这些粒子形成机制的理解。

2. 计时“滴答时钟”（寿命与质量）

$B^0$ 秒表：一种特定的粒子 $B^0$ 介子，已知在衰变前仅存在极短的一瞬。ATLAS 实验以前所未有的精度测量了这一“寿命”——比以往任何测量都更精确。这就像以极高的精度计时短跑运动员，甚至能分辨出他们步幅中毫米级的差异。
“激发态”与“基态”：他们还观察了 B 介子的“激发态”（携带额外能量而振动的粒子），并测量了这些激发态与其平静的“基态”之间微小的质量差异。这就像测量一根平静的吉他弦与一根剧烈振动的吉他弦之间微小的重量差异。

3. 搜寻奇异“四夸克”团簇

长期以来，我们认为粒子要么由两个夸克组成（像一对），要么由三个夸克组成（像一组）。但最近，物理学家开始寻找“四夸克”——由四个夸克紧密结合而成的粒子。

“全粲”之谜：科学家们搜寻了一种完全由四个粲夸克组成的特定四夸克。他们通过观察其衰变为成对的"J/ $\psi$ "粒子来寻找这些粒子。
发现：他们在特定的能级（6.6、6.9 和 7.1 GeV）发现了三个新“共振态”（粒子团簇）的有力证据。这就像听到钢琴上弹奏出特定的和弦，并意识到有三个以前未知的音符正在被演奏。数据表明，这些确实是四夸克团簇，这是一种罕见且奇异的存在形式。

4. 搜寻“幽灵般”的衰变（稀有事件）

论文的最后一部分涉及寻找根据我们当前规则（标准模型）本不应发生的“禁戒”或极罕见事件。发现它们将如同看见幽灵——这意味着物理规则需要重写。

轻子味破坏：他们搜寻了陶子（tau）转变为三个缪子（ $\tau \to 3\mu$ ）的现象。这就像看着一只猫突然变成三只老鼠。他们未发现任何此类现象，这对当前规则而言是好消息，但他们设定了此类事件可能发生的严格上限。
“四缪子”搜寻：他们还搜寻了 B 介子衰变为四个缪子的现象。他们提高了这一搜寻的灵敏度，使这些稀有事件更难隐藏。
$B_s \to \phi \mu\mu$ 张力：他们研究了一种特定的衰变，即 B 介子转变为 phi 粒子和两个缪子。虽然结果大多与理论一致，但存在高达 4.2 个标准差的微小“张力”（轻微分歧）。这就像数据中出现了一丝微小的晃动，可能暗示着新物理，但尚不足以宣布发现。

核心结论

ATLAS 和 CMS 实验证明，它们不仅擅长发现希格斯玻色子，也正成为重味物理领域的世界级侦探。通过利用其巨大的探测器和巧妙的触发机制（充当捕捉稀有事件的智能过滤器），它们正以创纪录的精度测量粒子性质，并搜寻奇异和罕见现象。

虽然它们尚未发现新物理的“铁证”，但它们已收紧了现有理论的螺丝，使得对未知领域的探索更加令人兴奋。

技术摘要：ATLAS 和 CMS 对味物理的综述

问题与背景
味物理是高精度检验标准模型（SM）并探测潜在新物理的关键领域。尽管专用味实验在历史上一直主导该领域，但大型强子对撞机（LHC）上的 ATLAS 和 CMS 通用探测器已确立其作为竞争性设施的地位。利用其近乎全立体角的覆盖范围、优异的顶点重建性能以及卓越的缪子重建能力，这些实验补充了专用实验的努力。本文综述了 ATLAS 和 CMS 利用 LHC 第 2 次运行（Run 2）及部分第 3 次运行（Run 3）的质子 - 质子对撞数据在味物理方面取得的最新成果。这些分析专门针对重味衰变，利用要求事件中至少包含两个缪子的触发机制，以增强对低能过程的接受度。

方法论
本综述涵盖了一系列采用微分测量、寿命测定和共振态搜索的多样化分析：

截面测量：CMS 利用 Run 3 的 37.4 fb $^{-1}$ 数据，在 13.6 TeV 质心能量下测量了 $\Upsilon(nS)$ 态（ $n=1,2,3$ ）的产生截面。这些测量在横向动量（ $p_T$ ）上直至 200 GeV 均为微分测量。ATLAS 利用 Run 2 的 137 fb $^{-1}$ 数据测量了 $D^\pm$ 和 $D^\pm_s$ 介子的截面，并通过 $D \to \phi(\mu^+\mu^-)\pi^\pm$ 衰变道将 $p_T$ 探测范围扩展至 100 GeV。
寿命与质量劈裂：ATLAS 利用 140 fb $^{-1}$ 的 Run 2 数据测定了 $B^0$ 介子的寿命（ $\tau(B^0)$ ）。CMS 利用 140 fb $^{-1}$ 的 Run 2 数据首次对激发态 $B^*$ 介子（ $B^{*+}, B^{*0}, B^{*0}_s$ ）进行了独占重建，通过光子转换（ $\gamma \to e^+e^-$ ）重建光子以测量超精细质量劈裂。
奇特态搜索：两个合作组均在双粲偶素质量谱（ $J/\psi J/\psi$ 和 $J/\psi \psi(2S)$ ）中搜索全粲四夸克态。CMS 结合了 Run 2（135 fb $^{-1}$ ）和 Run 3（180 fb $^{-1}$ ）的数据，而 ATLAS 使用了 140 fb $^{-1}$ 的 Run 2 数据，并首次在该道中引入了 $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ 衰变模式。
稀有衰变研究：两个实验均开展了轻子味破坏衰变（ $\tau \to 3\mu$ ）的搜索。CMS 还报告了 $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ 的首次观测，并搜索了 $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 。此外，CMS 利用 138 fb $^{-1}$ 的 Run 2 数据对稀有衰变 $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ 进行了微分测量，并以 $B^0_s \to \phi J/\psi(\mu^+\mu^-)$ 作为归一化基准。

主要贡献与结果

重味产生：13.6 TeV 下 $\Upsilon(nS)$ 产生的微分截面与非相对论性量子色动力学（NRQCD）理论预测吻合良好。同样，ATLAS 对 $D^\pm_s$ 截面直至 $p_T = 100$ GeV 的测量结果与广义质量变量味数方案（GM-VFNS）的预测一致。
精密参数：ATLAS 对 $B^0$ 寿命的测量结果为 $\tau(B^0) = 1.5053 \pm 0.0012 \text{ (统计)} \pm 0.0035 \text{ (系统)}$ ps，代表了迄今为止最精确的测量。CMS 对超精细劈裂（ $m(B^*) - m(B)$ ）的测量精度比先前结果提高了一个数量级。
全粲四夸克态：CMS 在 $J/\psi J/\psi$ 谱中观测到三个共振态—— $X(6600)$ 、 $X(6900)$ 和 $X(7100)$ ，显著性超过 $5\sigma$ 。 $X(6900)$ 也在 $J/\psi \psi(2S)$ 谱中被观测到。角分析表明，这些态与具有 $J^{PC} = 2^{++}$ 的全粲四夸克态相容。ATLAS 确认了 $X(6900)$ 共振态，但在 7.1 GeV 处未报告显著结构。
稀有衰变：在 $\tau \to 3\mu$ 的搜索中未发现显著超出，从而给出了 $B(\tau \to 3\mu)$ 分支比的 90% 置信度上限：ATLAS 为 $< 8.7 \times 10^{-8}$ ，CMS 为 $6.7 \times 10^{-8}$ 。CMS 观测到了 $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ 衰变，并将 $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 的极限提高了约 30%。
$B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ 分析：该衰变的微分截面（按 $q^2$ 分 bin 测量）与最近的 LHCb 测量结果吻合良好。然而，与各种理论预测的比较揭示了高达 $4.2\sigma$ 的张力。 $\phi$ 介子的纵向极化分数（ $F_L$ ）被发现与理论预期符合良好。

意义
本文指出，ATLAS 和 CMS 已成功确立其作为重味物理竞争性设施的地位，提供了与专用味实验互补的测量结果。这些结果证明了这些通用探测器能够通过先进的触发策略和重建技术，推动味物理的精度前沿。全粲四夸克态的观测以及对重味性质的精密测量，对表征量子色动力学（QCD）动力学和寻找标准模型之外的物理做出了重要贡献。对 Run 3 数据的持续分析预计将进一步增强两个合作组的味物理计划。