经过40多年搜寻，物理学家首次发现一种粒子衰变的证据。理论预测，这种衰变在每100亿个底粒子中大约只发生一次。升级后的欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的LHCb实验记录到该信号，为通过未知粒子对这一天文级罕见事件的影响来寻找它们提供了途径。

原子中心的质子和中子内部存在更小的组成单元，称为上夸克和下夸克。底夸克（beauty quark）是同一族中质量更大的成员，在LHC粒子碰撞时大量产生，寿命仅约1.5万亿分之一秒，随后衰变。LHCb研究包含这些短寿命夸克的粒子。新结果关注的是称为Bd到μμ（Bd to mu mu）的衰变：一个这类粒子转变为两个μ子，μ子与电子相似但质量更大。

该信号的统计显著性为3.2σ，足以被认定为该衰变的证据；但在粒子物理中，要宣称发现仍需积累更多数据以达到5σ阈值。

曼彻斯特大学物理与天文系主任克里斯·帕克斯（Chris Parkes）教授说：“这种衰变极其罕见，其发生概率大致相当于在一次浪漫约会中，第一次尝试就在地球所有人里找到与你完美匹配的那个人。”

稀有衰变可揭示隐藏粒子

未被发现的粒子可能改变底粒子以特定方式衰变的概率，从而使物理学家即使无法在LHC直接观测到它，也能探测其影响。衰变越稀有，对这类效应越敏感。因此，研究人员可以寻找实测衰变率与标准模型预测之间的偏差。标准模型是当前描述基本粒子及其相互作用的最佳理论。新测量与这些预测一致，而更高精度有助于揭示该理论最终可能在何处失效。

通过持续推进这些精度不断提高的测量，物理学家希望探测他们所称的“仄米世界（Zeptoverse）”。这是一个在仄米尺度上尚未探索的领域；1仄米等于10^-21米，未知粒子和力可能隐藏其中。

精确定位底粒子衰变位置

距LHC束流仅5毫米（约0.2英寸）处放置着顶点定位器（Vertex Locator）。这是一种硅像素探测器，能以极高精度追踪碰撞产生的粒子径迹。这一由英国建造的关键部件属于升级后的LHCb实验。曼彻斯特大学研究人员在实验及其升级中发挥了关键作用，包括开发使该测量得以实现的探测器技术。

曼彻斯特大学探测器建设负责人斯特凡诺·德卡普阿（Stefano De Capua）博士说：“我们与近90家英国公司合作建造了这台探测器，并围绕所采用的新技术培训了下一代科学家和工程师。正是这些探测器用于确定底介子产生的位置，并精确定位其衰变为两个μ子的位置。”

帕克斯领导国际LHCb合作组完成了升级建设，并主导合作组批准了这一新结果。今年早些时候，他因LHCb相关工作当选英国皇家学会院士。他说：“升级LHCb是一项重大工程——由1900名国际成员组成的合作组历时15年完成设计与建设。

“英国是该项目中贡献最大的国家，开创了使今天结果成为可能的新技术，使我们能在新尺度上探测自然。但这只是开始；我们正计划建造一项实验，利用下一代高亮度LHC的能力，在更小尺度上探测物理。”

升级后的实验将以最高达到此前5倍的速率收集数据，预计到2030年代初积累规模大得多的数据集。计划中的进一步升级可将该速率再提高10倍，从而对这些衰变进行更精确的测量，并提高对更短距离上未知粒子的灵敏度。

未参与该实验的曼彻斯特大学粒子物理学家布赖恩·考克斯（Brian Cox）教授说：“这是一个重要结果，也是科学如何推进的一个漂亮例证。我们升级仪器，从而更细致地观察自然。偶尔会看到无法理解的现象，随后便取得进展。我们无法预知这种进展是渐进式的还是真正改变世界的——这就是科学！LHCb是一项重大科学成功。”