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Recent results in $b \rightarrow s\,\ell\ell$ transitions at LHCb

本文介绍了 LHCb 关于罕见 $b \rightarrow s\ell\ell$ 跃迁的最新结果，强调了在诸如 $B^0 \rightarrow K^{*0}\mu^+\mu^-$ 等过程中与标准模型预测之间持续存在的张力，通过振幅分析提供了新的理论见解，并报告了关于 $B^0 \rightarrow K^+\pi^-\mu^+\mu^-$ 分支比的创新测量，以及对高 $q^2$ 下 $B^0 \rightarrow K^{*0}\ell^+\ell^-$ 轻子味普适性比率的首次强子对撞机测定。

原作者： Juan Jose Juan Castella

发布于 2026-10-12

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CC BY 4.0

原作者： Juan Jose Juan Castella

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

宇宙建立在一套被称为“标准模型”的规则之上，这一理论成功预测了存在于微观世界的最小粒子是如何运动和相互作用的。几十年来，这一框架经受住了严苛的审查，然而物理学家们仍然坚信它是并不完整的。它无法解释引力、暗物质，也无法解释为什么宇宙是由物质而非反物质组成的。为了寻找缺失的部分，科学家们在寻找理论中的裂痕，搜寻自然界行为略微偏离规则的时刻。其中一个最有希望的切入点是在被称为 B 强子的重粒子衰变中。这些粒子是不稳定的，会分解成更轻的粒子，但在某些极罕见的情况下，它们会以一种受到标准模型强烈抑制的方式进行转化。由于这些稀有事件发生的频率极低，即使是一个微小的未知新力的影响，也可能留下明显的痕迹，这使得它们成为搜寻新物理学的理想实验室。

大型强子对撞机底夸克实验（简称 LHCb）的研究人员一直在以越来越高的精度研究这些稀有衰变。他们的最新工作聚焦于一种特定的转化：一个重的底夸克转变为一个奇异夸克，并在过程中发射出一对轻子——例如电子或μ子。一段时间以来，对这些衰变的测量结果一直显示出与理论预测之间的持续张力。数据表明，这些粒子的行为方式无法完全用现有的物理规则来解释。这引发了一场辩论：这些差异是某种新基本力的初步迹象，还是仅仅意味着我们对原子内部复杂相互作用的理解仍不完整？来自 LHCb 的新结果并未解决这个问题，但它使图像更加清晰，显示出即便在测量变得更加精确时，这种张力依然存在，同时也提供了测试该理论的新方法。

在其中一项最详尽的研究中，团队分析了一个中性 B 介子衰变为 K* 介子和一对 μ 子对的过程。这种特定的衰变非常复杂，因为涉及的粒子可以以不同的方式旋转和定向，从而产生丰富的角度和质量模式。通过检查数百万个此类事件，研究人员绘制出了衰变在不同能量范围内的行为图谱。他们发现，虽然大多数测得的属性符合标准模型，但有两个特定的模式特征持续偏离了预期。其中之一是关于粒子如何飞散的测量，另一个是关于力平衡的测量，两者都表现出了与预测之间具有统计学意义的差异。数据位于距离理论预期一到三个标准差之间，这种差距已被世界各地的多个实验所观察到。当团队将这些结果与其他测量值结合时，与标准模型的统计张力进一步增强，这表明如果这确实是新物理的迹象，那么它很可能与目前我们的方程中缺失的一种特定类型的相互作用有关。

为了理解这些偏差究竟源于新粒子，还是源于对已知粒子相互作用方式的误解，研究人员进行了一种不同类型的分析。他们没有将数据分组到不同的能量区间，而是同时观察整个衰变谱，利用一个模型将已知的、长程的强相互作用效应与可能隐藏着新物理的短程信号区分开来。这种方法使他们能够直接测量底层作用力的强度。结果证实，负责该衰变的力的实部比标准模型预测的要弱，这与早期的观察一致。然而，当他们寻找违反电荷-宇称对称性（即物质与反物质之间微妙差异）的迹象时，并未发现任何证据。数据表明，如果新物理确实存在，它并不表现出物质与反物质行为不同的特性，这有助于缩小可能解释该异常现象的理论范围。

团队还将这种同样严谨的分析应用于一种涉及带正电 B 介子的类似衰变。在这里，结果更为模棱两可。当他们假设已知力完全符合理论预测时，数据表明存在与标准模型的张力。然而，当他们允许其他因素发生变化时，这种张力便消失了，结果变得与其他此类衰变的测量结果一致。这凸显了该领域的难度：信号如此细微，以至于其解释高度依赖于如何对复杂的背景相互作用进行建模。研究人员还涉足了未竟之地，测量了一种最终态包含卡翁和派子且组合质量高于以往任何研究过的质量范围的衰变。这个衰变区域此前从未被测量过，尽管目前还没有理论预测，但这次成功的测量为未来的对比研究打开了一扇新的窗口。

最后，协作组处理了关于轻子味普适性的问题，这一原则规定物理定律对待电子和 μ 子的方式应当完全相同，仅在质量上有所区别。团队测量了在强子对撞机中从未探索过的高能区域内，产生 μ 子相对于产生电子的衰变比例。结果为 1.08，且误差范围较小。这个数值完全符合标准模型，标准模型预测该比例应精确为 1。这一发现意义重大，因为它表明，尽管衰变的某些方面显示出与理论的张力，但电子与 μ 子之间的基本对称性在高能状态下依然保持稳固。该测量的精度比之前的任何尝试都要高出三倍，为未来的研究提供了坚实的基准。

此处呈现的工作代表了人类在理解宇宙基本本质的探索中迈出的重要一步。数据中持续存在的张力表明，标准模型并非终极答案，然而对称性的缺失以及部分测量结果的一致性意味着答案尚未揭晓。研究人员强调，他们的发现是基于对撞机在前两次主要运行期间收集的数据。随着机器现在以更高的容量运行，收集的数据量是之前的三倍，下一代测量将有能力证实这些关于新物理的暗示，或者揭示它们仅仅是当前理论模型的幻象。在此之前，底夸克罕见衰变的谜团仍然是现代物理学中最引人入胜的难题之一。

技术摘要：LHCb 在 $b \to s\ell\ell$ 跃迁中的最新结果

问题与动机
$B$ 强子的罕见衰变，特别是 $b \to s\ell\ell$ 跃迁，是探测新物理（NP）的关键间接手段。这些过程在标准模型（SM）中通过圈图受到高度抑制，因此对不受对撞机能量标度限制的潜在新物理贡献非常敏感。然而，实验测量与标准模型预测之间存在持续的张力。显著的异常包括 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 衰变中的 $P'_5$ 角分布可观测量，以及 $B^+ \to K^+\ell^+\ell^-$ 衰变中的分支比（BF）亏损。这些张力的起源仍存在争议：它们可能预示着真实的新物理，也可能源于对长程强子贡献（局部形式因子和非局部共振圈）的理论理解尚不完整。本文介绍了来自 LHCb 合作组的最新结果，旨在通过更高精度的测量和新型振幅分析来解决这些歧义。

方法论
该分析利用了完整的 LHCb Run 1 和 Run 2 数据集，并针对不同测量进行了特定配置：大多数分析（包括 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 的角分布和振幅研究）使用 8.4 fb $^{-1}$ 的数据（不含 2015 年）；而轻子味普适性（LFU）比率测量则利用了包含 2015 年在内的完整 9 fb $^{-1}$ 数据集。其方法是多方面的：

分箱角分布分析： 在 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 的双轻子质量平方（ $q^2$ ）分箱内，进行 5 维拟合（涉及 $m_{K\pi}$ , $\cos\theta_{K\pi}$ , $\cos\theta_{\mu\mu}$ , $\phi$ , 和 $m_{B^0}$ ）。该分析通过增加数据集规模、扩展 $K\pi$ 质量范围以及包含非零轻子质量效应，改进了以往的工作。至关重要的是，它对 $S$ 波和 $P$ 波成分及其干涉进行了完整处理。
无分箱振幅分析： 为了直接提取威尔逊系数和非局部贡献，对 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ $B^{0} \to K^{* 0} μ^{+} μ^{-}$ 和 $B^+ \to K^+\mu^+\mu^-$ $B^{+} \to K^{+} μ^{+} μ^{-}$ 在整个双轻子质量谱上进行无分箱拟合。
- 对于 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ ，框架通过允许复数威尔逊系数（ $C_9, C_{10}$ ）扩展到了包含 CP 破坏的新物理情形。非局部贡献通过有效系数 $C_9^{\text{eff}} = C_9^{\text{SM}} + C_9^{\text{NP}} + Y(q^2)$ 进行建模。
- 对于 $B^+ \to K^+\mu^+\mu^-$ ，分析测试了两组局部形式因子（HPQCD 和 FNAL/MILC），并假设威尔逊系数为实数，测量矢量和轴矢量贡献之和（ $C_V, C_A$ ）。
新型分支比测量： 测量了高双强子质量区域（ $1000 < m_{K\pi} < 1835$ MeV/ $c^2$ ）内 $B^0 \to K^+\pi^-\mu^+\mu^-$ 的分支比，这一相空间在 $K^*(892)$ 共振峰之上此前从未被测量过。
轻子味普适性（LFU）比率： 在高 $q^2$ 区域（ $14 < q^2 < 22$ GeV $^2/c^4$ ）首次在强子对撞机上测量了 $R_{K^*}$ 。这涉及将罕见缪子和电子模式的产额与其各自的 $J/\psi$ 归一化模式进行比较，并对效率差异进行修正。

主要贡献与结果

$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 角分布可观测量： 更新后的测量证实，与标准模型预测的张力依然存在。 $P'_5$ 可观测量和前向不对称性（ $A_{FB}$ ）在 $J/\psi$ 共振峰附近偏离标准模型预测 1.5 至 2.7 $\sigma$ 。使用 Flavio 和 EOS 软件包进行的全局拟合表明，在威尔逊系数 $C_9$ 的实部中存在 3.6 $\sigma$ (Flavio) 到 3.8 $\sigma$ (EOS) 的张力。微分分支比在 $1.1 < q^2 < 6.0$ GeV $^2/c^4$ 区域也低于标准模型预测，当将其纳入全局拟合时，使 $C_9$ 的张力增加到 4.0 $\sigma$ (Flavio) 和 4.1 $\sigma$ (EOS)。
无分箱 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 分析： 振幅拟合得到的 $C_9$ 和 $C_{10}$ 的实部与 CP 保守分析一致，其中 $\text{Re}(C_9)$ 偏离标准模型 2.1 $\sigma$ 。未发现明显的 CP 破坏证据（虚部）。
无分箱 $B^+ \to K^+\mu^+\mu^-$ 分析： 使用 HPQCD 形式因子，拟合倾向于比标准模型更高的 $C_V$ 和 $C_A$ 值，导致 4 $\sigma$ 的张力。然而，当其他威尔逊系数固定为标准模型值时，针对 $C_9$ 的一维剖面线向低于预测的值偏移，这与其他 $b \to s\ell\ell$ 结果一致。使用 FNAL/MILC 形式因子的结果显示出类似的趋势，但由于不确定性较高，显著性较低（1.6 $\sigma$ ）。
高质量 $B^0 \to K^+\pi^-\mu^+\mu^-$ ： 这构成了对 $q^2 > 15.0$ GeV $^2/c^4$ 区域衰变宽度的首次完整测定，也是在 $K^*(892)$ 共振峰之上且在 $q^2$ 高于 $J/\psi$ 质量区域内对该衰变的首次观测。目前尚不存在针对这些特定运动学区域的理论预测。
高 $q^2$ $R_{K^*}$ ： 测量结果为 $R_{K^*} = 1.08^{+0.14}_{-0.12}(\text{stat}) \pm 0.07(\text{syst})$ 。该结果与标准模型完全一致，且其精度较 Belle 实验之前的测量提高了三倍，确立了强子对撞机在该能区测量领域的领先基准。

意义与展望
本文断言，罕见 $b \to s\ell\ell$ 衰变领域仍然是发现新物理的肥沃土壤，且现有的高精度数据进一步证实了这些张力。这些结果的意义在于能够区分新物理与理论不确定性。通过采用无分箱振幅分析，合作组旨在直接约束非局部强子效应，这是理论模糊性的主要来源。此外，在未探索相空间中的新型分支比测量以及高 $q^2$ 下的高精度 $R_{K^*}$ 测量，扩展了实验版图。作者强调，虽然目前的结果是基于 Run 1 和 Run 2 数据，但 Run 3 期间收集的显著更大的数据集将提供更高的精度，这对于最终解决这些异常现象所需的灵敏度至关重要。

技术摘要：LHCb 在 b→sℓℓb \to s\ell\ellb→sℓℓ 跃迁中的最新结果

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