一种长期难测的粒子衰变，打开检验标准模型的新路径

早在公元前400年，哲学家就提出，万物都是由“原子”构成的。如今我们知道，原子其实并不是不可分割的。原子由原子核和围绕原子核运动的电子组成；原子核则由中子和质子组成。而中子和质子本身，又由更小的粒子——夸克组成。

（图：原理；素材来源：The Royal Swedish Academy of Sciences）

根据粒子物理学的标准模型，夸克共有六种不同的“味”：上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、顶（t）和底（b）。夸克可以通过一种称为弱力的基本相互作用从一种味转变为另一种味。某一种夸克味转变发生的概率，可以通过一个称为卡比博–小林–益川矩阵（CKM矩阵）的3 × 3矩阵计算。

标准模型的一个基本预言是CKM矩阵必须满足幺正性：所有转变概率之和必须严格等于1。如果实验发现不等于1，就意味着可能存在超越标准模型的未知粒子和未知基本力。因此，要对这种幺正性进行精确检验，就需要通过彼此独立的方法测定矩阵中的各个元素，比如|Vus|。|Vus|决定了奇夸克转变为上夸克的概率，而奇夸克转变为上夸克的过程，可以通过一种名为Λ超子的粒子衰变来测量。在过去35年里，这种衰变很少受到实验关注，因为它的一些关键性质此前无法测量。

如今，在一项新发表于《自然》的论文中，北京谱仪III（BESIII）合作组利用Λ超子与反Λ超子之间的量子纠缠，对Λ超子的衰变进行了“标记”，并发现一个关键的衰变参数与传统理论相符，却与此前的测量结果存在冲突。

难以看清的衰变

Λ超子由一个上夸克、一个下夸克和一个奇夸克组成。在一种特定的衰变过程中，其中的奇夸克可以通过弱相互作用转变为上夸克，使原本的“上、下、奇”三个夸克变成“上、下、上”，从而形成一个质子。大约每1000次Λ超子衰变中，会有1次同时释放出一个电子和一个几乎没有质量、无法直接探测的粒子——反电子中微子，也就是电子中微子的反物质粒子。

这个过程被称为半轻子衰变。在单位时间内发生这种衰变的概率与|Vus|²成正比，因此，通过精确测量Λ超子的半轻子衰变，就可以进一步测定|Vus|。

（图：原理；素材来源：Nature）

然而，要精确测量Λ超子的半轻子衰变并不容易。其中产生的反电子中微子几乎无法被探测器直接捕捉，会带走一部分能量和动量，使实验难以完整重建整个衰变过程。

1990年，美国费米实验室曾利用近4万个超子半轻子衰变事例完成这一领域最精确的实验测量之一。但受限于反中微子不可见以及Λ超子初始自旋取向信息不足等问题，实验仍无法完整确定描述粒子内部结构和衰变动力学的全部形状因子——是计算|Vus|所必须的量。此后30多年间，这一领域长期缺乏新的高精度实验进展。

量子纠缠补回缺失的信息

在新的研究中，研究人员让电子与正电子发生碰撞。当电子–正电子对具有合适的能量时，可以产生一种称为J/ψ的粒子，而J/ψ又可以进一步衰变成一个Λ超子和一个反Λ超子。

（图：原理；素材来源：Nature）

关键在于，这对Λ–反Λ粒子既具有极化，又处于量子纠缠状态：它们的自旋取向彼此相关。因此，通过测量其中一个粒子的衰变，就能够获得关于另一个粒子的额外信息，无论它们彼此分离了多远。

实验选择了不涉及产生中微子或反中微子的反Λ超子衰变过程。反Λ超子会衰变成一个反质子和一个π介子，它们都可以被探测到。由于末态粒子都能够被探测，这个衰变过程可以被完整重建。由此就可以获得反Λ的相关信息，然后再利用Λ与反Λ之间的量子纠缠关系，对Λ超子的产生和自旋状态加以约束。

对于Λ半轻子衰变中无法被直接探测的电子反中微子，研究人员则利用其他末态粒子的能量和动量，并根据能量–动量守恒反推出它的相关信息。

小样本、高精度

不过，即使有了新的分析方法，实验仍面临一个非常现实的问题：统计量不足。

Λ超子的半轻子衰变本身极为罕见。研究人员从约100亿个J/ψ事件中，最终只筛选出1854个信号事例，样本量仅约为1990年费米实验室实验的二十分之一。不过，他们的测量结果与此前通过间接计算得到的数值一致，而且对部分关键衰变参数的测量精度，达到了与费米实验室实验相当的水平。

在此基础上，研究人员还首次直接测量了Λ 超子发生半轻子衰变的绝对分支比，并测定了这种衰变中各个形状因子的相对大小，其中包括此前从未在Λ超子衰变中测得的弱电耦合参数。这些测量补上了过去实验长期缺失的关键信息，也为进一步提取Vus提供了基础。

一条新的路径

不过，还有一个量是任何实验都无法直接获得的，那就是这些形状因子的整体尺度。为此，研究人员借助了基于格点量子色动力学（格点QCD）框架的理论计算，最终得到的Vus数值与CKM矩阵的幺正性相一致。也就是说，从这条此前长期未被充分利用的Λ超子衰变路径来看，目前并没有显示出明确偏离标准模型的迹象。

这是科学家首次利用格点QCD来提取Λ超子半轻子型衰变的形状因子。因此，这部分理论计算本身还需要进一步接受检验。未来，其他研究团队还需要重复相关计算，并进一步检验其中采用的理论假设。

现在，BESIII 已经开始把这种基于量子纠缠和极化的方法应用于其他超子。进一步研究包含粲夸克的、更重的多夸克粒子，也已经进入实验能力范围。未来的一些实验设施还将能够大量产生这类重粒子的纠缠粒子对。

如果来自不同超子和重子衰变体系的测量最终能够汇聚到同一个|Vus|数值，再结合格点QCD计算精度的不断提升，就能为利用超子测定|Vus|打开一条可信的道路，也将为物理学家提供一种长期以来一直缺失的独立检验手段，帮助进一步检验CKM矩阵幺正性这一标准模型的重要基础。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-02123-1

https://news.fudan.edu.cn/2026/0903/c4a150271/page.htm

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10818-8

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