✨ 要点🔬 技术摘要
在亚原子粒子的宇宙中，存在着一套被称为“标准模型”的规则，它规定了物质的行为方式。其中一条规则是对“味”（flavor）的严格守恒，这一属性区分了不同的轻子（如电子和μ子）。在理论的标准版本中，这些粒子是不被允许改变其身份的；电子不能简单地变成μ子，μ子也不能凭空消失并重新出现在电子的形式。这条规则之所以成立，是因为该理论最初假设这些粒子的近亲——中微子——是没有质量的。然而，科学家们后来发现中微子确实具有质量，这意味着宇宙并不像曾经认为的那样僵化。虽然这一发现允许在中微子质量的影响下，在特定条件下发生极其微小、几乎无法察觉的味变化，但标准模型预测，这类变化会极其罕见，以至于在人类的一生中都无法被观测到。如果研究人员能够发现一种以我们实际可测量的速率发生味变化的粒子，那将是一个明确的信号，表明现有的规则是不完整的，且新的、尚未被发现的物理学正在发挥作用。
这正是来自 Belle 和 Belle II 实验团队的一群物理学家试图回答的精确问题。他们在日本操作着一台巨大的粒子对撞机，通过碰撞电子和正电子来产生大量的重粒子，包括τ轻子、B介子和底夸克偶素态。这些碰撞就像是一个高速工厂，生产出数十亿个此类粒子，以便科学家观察它们的衰变并寻找那些被禁止的味变化。研究人员分析了极其庞大的数据集，这是同类研究中收集到的最大样本，旨在搜寻是否存在 τ 轻子或 B 介子自发转化为另一种不同类型轻子的迹象。他们寻找特定的衰变模式，例如 τ 变为 μ 子并伴随一道闪光，或者 B 介子分裂为一个 Kaon 粒子和两种不同类型的轻子。他们还搜索了更奇特的可能性，比如 τ 衰变为一个轻子和一个神秘的不可见粒子，或者底夸克偶素粒子分裂成不匹配的电子和 μ 子对。
在利用复杂的计算机算法从压倒性的背景噪声中筛选出稀有信号后，研究人员一无所获。在他们检查的每一个通道中，观察到的事件数量都与已知物理学所预期的完全一致，没有任何额外的信号显示出存在新的力或粒子。例如，当他们寻找 τ 轻子变为 μ 子和光子的过程时，他们观察到了 19 个事件，这与背景过程预测的 16 个事件是一致的。同样，寻找 τ 衰变为三个带电粒子，或 B 介子变为一个 Kaon 和一对 τ-μ 子对的搜索，也未发现任何违禁转变的证据。团队计算了这些事件在不被探测到的情况下可能发生的最高速率，从而为这些味变化发生的频率设定了最严格的限制。这些限制值极小，实际上排除了许多预测这些衰变会频繁到足以被观测到的流行理论。
这项研究还将搜索范围扩展到了底夸克偶素（bottomonium）家族，即由一个底夸克及其反夸克组成的结合态。通过检查这些粒子的衰变方式，团队寻找了可能导致底夸克偶素态分裂成一个电子和一个 μ 子，或一个电子和一个 τ 轻子的新相互作用。他们分析了这些衰变产生的粒子反冲质量，以观察是否有新粒子隐藏在数据中。结果再次为空。数据显示没有任何偏离标准模型的情况，这意味着如果以这些特定的味变化交互形式存在新物理，其发生速率远低于当前实验所能检测到的水平。研究人员还利用这些零结果来约束描述潜在新物理的数学参数，从而缩小了未来理论的可能性窗口。
这项工作的意义不在于发现了什么，而在于排除了什么。通过利用如此庞大的数据集来推向灵敏度的极限，Belle 和 Belle II 实验团队证明了宇宙比此前怀疑的更加遵循标准模型的规则。虽然中微子质量的发现证明了轻子味并非完全守恒，但这些结果表明，这种违反并不以许多新理论所预测的方式发生。缺乏信号本身就是一个强有力的结果；它告诉理论学家们，他们必须去别处寻找下一次理解自然基本法则的重大突破。随着 Belle II 实验继续收集更多数据，搜索将变得更加精确，但目前，探测器的沉默本身就是对我们现有亚原子世界理解之稳固性的见证。
技术摘要：Belle 与 Belle II 最近的 CLFV 研究
问题与动机 μ → e γ \mu \to e\gamma μ → e γ 10 − 54 10^{-54} 1 0 − 54 10 − 10 10^{-10} 1 0 − 10 10 − 7 10^{-7} 1 0 − 7
方法论与数据集 e + e − e^+e^- e + e − Υ ( 4 S ) \Upsilon(4S) Υ ( 4 S )
Belle: 在 1999 年至 2010 年间收集了约 1 ab − 1 1 \text{ ab}^{-1} 1 ab − 1 Belle II: 至今已累积超过 900 fb − 1 900 \text{ fb}^{-1} 900 fb − 1
搜索策略根据母粒子进行区分：
τ \tau τ Υ ( 4 S ) \Upsilon(4S) Υ ( 4 S ) e + e − → τ + τ − e^+e^- \to \tau^+\tau^- e + e − → τ + τ − τ \tau τ τ \tau τ M B C M_{BC} M B C Δ E \Delta E Δ E τ → ℓ ν ν ˉ \tau \to \ell\nu\bar{\nu} τ → ℓ ν ν ˉ B B B B B ˉ B\bar{B} B B ˉ Υ ( 4 S ) \Upsilon(4S) Υ ( 4 S ) B B B B t a g B_{tag} B t a g 底夸克夸克失量（Bottomonium）衰变： 搜索涉及 Υ ( 2 S ) \Upsilon(2S) Υ ( 2 S ) Υ ( 1 S ) \Upsilon(1S) Υ ( 1 S ) Υ ( 1 S ) \Upsilon(1S) Υ ( 1 S ) Υ ( 2 S ) → π + π − Υ ( 1 S ) \Upsilon(2S) \to \pi^+\pi^-\Upsilon(1S) Υ ( 2 S ) → π + π − Υ ( 1 S ) π + π − \pi^+\pi^- π + π − χ b J → γ Υ ( 1 S ) → γ ℓ + ℓ − \chi_{bJ} \to \gamma \Upsilon(1S) \to \gamma \ell^+\ell^- χ b J → γ Υ ( 1 S ) → γ ℓ + ℓ −
关键结果
τ \tau τ
不可见 ALP (τ → ℓ α \tau \to \ell \alpha τ → ℓ α 使用 800 fb − 1 800 \text{ fb}^{-1} 800 fb − 1 0 < m α < 1.6 GeV / c 2 0 < m_\alpha < 1.6 \text{ GeV}/c^2 0 < m α < 1.6 GeV / c 2 τ → μ γ \tau \to \mu\gamma τ → μ γ 428 fb − 1 428 \text{ fb}^{-1} 428 fb − 1 B ( τ → μ γ ) < 9.5 × 10 − 8 B(\tau \to \mu\gamma) < 9.5 \times 10^{-8} B ( τ → μ γ ) < 9.5 × 1 0 − 8 τ → ℓ ℓ ′ ℓ ′ ′ : \tau \to \ell \ell' \ell'': τ → ℓ ℓ ′ ℓ ′′ : 428 fb − 1 428 \text{ fb}^{-1} 428 fb − 1 τ → e − e + e − \tau \to e^-e^+e^- τ → e − e + e − τ → e − e + μ − \tau \to e^-e^+\mu^- τ → e − e + μ − τ → ℓ η \tau \to \ell \eta τ → ℓ η 427.9 fb − 1 427.9 \text{ fb}^{-1} 427.9 fb − 1 B ( τ → μ η ) < 4.23 × 10 − 8 B(\tau \to \mu\eta) < 4.23 \times 10^{-8} B ( τ → μ η ) < 4.23 × 1 0 − 8
B B B
B 0 → K S 0 τ ± ℓ ∓ B^0 \to K^0_S \tau^\pm \ell^\mp B 0 → K S 0 τ ± ℓ ∓ 711 fb − 1 711 \text{ fb}^{-1} 711 fb − 1 365 fb − 1 365 \text{ fb}^{-1} 365 fb − 1 B ( B 0 → K S 0 τ + μ − ) < 1.1 × 10 − 5 B(B^0 \to K^0_S \tau^+ \mu^-) < 1.1 \times 10^{-5} B ( B 0 → K S 0 τ + μ − ) < 1.1 × 1 0 − 5 B 0 → K ∗ 0 τ ± ℓ ∓ B^0 \to K^{*0} \tau^\pm \ell^\mp B 0 → K ∗ 0 τ ± ℓ ∓ B ( B 0 → K ∗ 0 τ + e − ) < 2.9 × 10 − 5 B(B^0 \to K^{*0} \tau^+ e^-) < 2.9 \times 10^{-5} B ( B 0 → K ∗ 0 τ + e − ) < 2.9 × 1 0 − 5
底夸克夸克失量（Bottomonium）衰变：
χ b J ( 1 P ) \chi_{bJ}(1P) χ b J ( 1 P ) 1.58 × 10 8 1.58 \times 10^8 1.58 × 1 0 8 Υ ( 2 S ) \Upsilon(2S) Υ ( 2 S ) χ b 0 , 1 , 2 ( 1 P ) \chi_{b0,1,2}(1P) χ b 0 , 1 , 2 ( 1 P ) χ b J → ℓ ℓ ′ \chi_{bJ} \to \ell\ell' χ b J → ℓ ℓ ′ χ b J → ℓ τ \chi_{bJ} \to \ell\tau χ b J → ℓ τ Υ \Upsilon Υ Υ ( 1 S ) → ℓ ℓ ′ \Upsilon(1S) \to \ell\ell' Υ ( 1 S ) → ℓ ℓ ′ Υ ( 1 S ) → γ ℓ ℓ ′ \Upsilon(1S) \to \gamma \ell\ell' Υ ( 1 S ) → γ ℓ ℓ ′
意义与主张 τ \tau τ B B B τ → μ η \tau \to \mu\eta τ → μ η B 0 → K S 0 τ ℓ B^0 \to K^0_S \tau \ell B 0 → K S 0 τ ℓ χ b J \chi_{bJ} χ b J
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