Belle II 实验首次报告直接测量 τ 粒子与轻子之比

Belle II 实验是一项大型研究工作，旨在精确测量弱相互作用参数、研究奇异强子（即一类亚原子粒子）并寻找新的物理现象。这项工作主要依赖于对 Belle II 探测器（即通用光谱仪）收集的数据和 SuperKEKB（粒子对撞机）发送的数据进行分析，这两台探测器均位于日本筑波的高能加速器研究组织 (KEK)。

在最近发表于《物理评论快报》的一篇论文中，Belle II 合作组报告了首次直接测量 B 介子分支分数的 tau 与轻子比率𝑅(𝑋𝜏/ℓ)。通过这一测量，该团队能够测试带电电流弱相互作用的普遍性。

Belle II 合作组织发言人 Karim Trabelsi 表示： “在我们目前最好的粒子物理理论标准模型中，带电轻子（电子、μ 子和 τ 子）与弱力和电磁力完全耦合。这种现象被称为轻子普遍性。”

值得注意的是，任何轻子普适性被打破的迹象都表明存在非标准模型物理学。作为他们最近论文的一部分，Trabelsi 和他的同事专门着手直接测量 tau 和轻子之间的比率，因为这可能有助于寻找和理解新的物理现象（即标准模型之外的现象）。

“将 τ 子与更轻的 μ 子和电子进行比较之所以特别有趣，是因为现有测量的平均值与普适性预测之间存在矛盾，”Trabelsi 说道。“这些测量仅在轻子伴有单个粲介子的衰变中进行（不包括衰变为 D 和 D* 介子），而我们的研究并未区分伴随轻子产生的不同类型的强子或强子数量（包括衰变）。”

理论对排他衰变和包容衰变的预测有很大不同，但在尝试探索任何类型的轻子普适性时，它们是互补的。然而，迄今为止，仅使用大型电子-正电子对撞机 (LEP) 收集的数据进行了考虑这两种衰变的全面测量，LEP 是位

于 CERN 的最大粒子加速器之一。

Belle II 最近研究的主要目标是收集 20 多年来首次测量这一特定量。为此，他们使用了 Belle II 探测器收集的最后一组数据。

“我们的分析依赖于 B 介子对的产生，没有任何其他伴随粒子，这些粒子在 Belle II 临界点附近的电子正电子碰撞中都有，”Trabelsi 说道。“我们可以完全重建一个 B 介子，然后在事件的其余部分寻找轻轻子，它可能直接来自另一个 B 衰变，或者来自另一个 B 衰变的 tau 衰变，然后迅速衰变成轻轻子和另外两个中微子。”

平均而言，τ 衰变产生的轻子的动量明显低于 B 介子瞬时产生的轻子的动量。此外，τ 衰变期间出现的额外中微子的能量和动量比瞬时轻子相关事件期间出现的中微子更低。

“因此，我们使用轻子动量分布和与缺失能量相关的变量来分离瞬时衰变和 tau 衰变，以确定比率，”Trabelsi 解释道。“我们用富含背景过程的辅助数据样本来校准可能污染测量的背景分布。”

Belle II 进行的校准会给测量带来系统性不确定性。不过，随着合作收集和分析的数据增加，这种不确定性将会减少。

“尽管我们的测量结果与标准模型预测和独占衰变中观察到的异常相符，但一旦获得更大的数据样本，我们就为轻子普适性的补充探测铺平了道路，”特拉贝尔西说。“这样的探测使我们能够间接地寻找可能导致任何观察到的轻子味普适性违反的非标准模型粒子。”

Belle II 进行的这项对 𝑅(𝑋𝜏/ℓ) 的全面直接测量，可能为旨在观察和研究标准模型之外的新物理的探索开辟新的机会。随着未来合作收集到更多的数据，研究人员计划更新这一测量结果并进行其他精确测量，以帮助确定轻子普适性何时被打破。

“我们目前正在收集更多数据，不久的将来，我们将更新这一综合测量结果以及独家测量结果，”特拉贝尔西补充道。“几年之内，我们就应该能够明确地判断这些衰变中轻子普适性是否被破坏。”

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