LHCb实验上的强子谱学、CP破坏和电弱物理研究 |《科学通报》专题编者按

《科学通报》2024年第31期出版“大型强子对撞机LHCb实验专题”，欢迎关注！

大 型强子对撞机底夸克 (Large Hadron Collider beauty, LHCb) 实验是为开展重味物理研究而设计的粒子物理实验 , 其主要科学目标是通过研究底夸克与粲夸克的性质 , 揭示正反物 质 性质的微小差异、精确检验粒子物理标准模型和寻找新的物理现象 . 自 201 0 年开始运行以来 , LHCb 实验经历了 2011~2012 和 2015~2018 年两个运行期 , 积累了大量的实验数据 . 基于这些数据 , LHCb 国际合作组在重味强子的 CP 破坏与稀有衰变、强子谱学和产生机制、量子色动力学物理以及电弱物理等方面开展了广泛的研究 , 取得了一批重要成果 : 发现了 67 个新强子态 ; 首次探测到粲介子的 CP 破坏 ; 显著提升了关于 B 介子混合与 CP 破坏的若干关键参数的测量精度 , 对三代夸克混合机制进行了迄今为止最严格的检验 ; 在 B 介子稀有衰变中观察到偏离标准模型预言的若干迹象 . 这些成果标志着味物理研究进入精确检验标准模型和深入理解强相互作用的新时代.

LHCb国际合作组由来自22个国家、103家研究单位的1730名成员组成. 清华大学于2000年加入了LHCb国际合作, 是LHCb合作组最早的成员单位之一. 近年来, LHCb中国组的研究队伍不断壮大, 目前包括来自9家单位的41名固定研究人员和约120名博士后与研究生. 中国科学家对LHCb实验的建设和研究工作作出了显著贡献, 取得了五夸克态发现、双粲重子发现、 介子混合相位 的高精度测量等一系列具有重大影响的研究成果, 还在LHCb实验的硬件、软件与探测器运行等方面做出了重要工作. LHCb中国组的研究工作长期得到了国内粒子物理理论与实验同行的大力支持, 同时也推动了国内强子谱学和重味物理研究的繁荣与发展.

LHCb实验于2022年完成了首次探测器全面升级并开启新的运行, 运行亮度正逐步提升至升级前的5倍左右, 未来十年内将提供海量的新数据, 为深入开展强子谱学和重味物理研究提供宝贵机遇. 为了推动该研究领域的进一步发展和提升我国的研究水平, 《科学通报》组织出版“大型强子对撞机LHCb实验专题”, 特邀活跃在LHCb国际合作中的一批中国专家, 就各自深耕的研究方向撰写了9篇文章, 介绍LHCb中国组主导取得的一系列研究成果, 同时总结LHCb实验在过去十多年内取得的主要研究进展、展望未来的发展趋势.

本专题涉及LHCb探测器升级、重味强子谱学和性质、CP破坏、电弱物理以及重离子碰撞等方面的研究内容. 李一鸣等人[1]介绍了探测器的设计特点和主要性能, 以及刚刚完成的一期升级和规划中的二期升级在探测器技术上所做的创新和改进. 张黎明等人[2]介绍了LHCb实验在五夸克态研究中取得的进展, 包括五夸克态被首次发现(被英国物理学会Physics World杂志评为“2015年度物理学十项重大突破”, 位列美国物理学会Physics杂志2015年度物理学“八大进展”第二), 以及后续发现的多种新五夸克态. 何吉波和尹航[3]介绍了LHCb实验上在双重味重子研究中取得的突破和成果, 包括双粲重子的发现(入选“2017年度中国科学十大进展”)和质量、寿命、产率的测量结果. 安刘攀等人[4]综述了重夸克偶素产生机制模型以及LHCb上的相关实验研究进展. 吕晓睿和傅金林[5]介绍了LHCb实验基于海量数据对基态粲重子和的质量与寿命所开展的精确测量. 谢跃红和张黎明[6]以及钱文斌等人[7]分别综述了LHCb实验开展的B介子时间依赖CP破坏和直接CP破坏研究, 总结了LHCb实验取得的世界领先成果, 包括CKM相角β, γ和的高精度测量结果. 尹航和徐梦琳[8]探讨了LHCb实验在电弱物理测量方面的独特优势, 介绍了近期所取得的主要成果, 包括W质量和弱混合角等基本物理量的测量结果, 以及与质子部分子分布函数相关的测量结果. 李衡讷[9]介绍了利用质子-铅核和铅核-铅核对撞数据开展的两项研究, 分别以Z色子和光子为工具, 探索原子核中的部分子分布情况. 以上文章也展望了LHCb探测器升级后各个方向的研究前景.

由于篇幅所限, 本专题无法覆盖LHCb实验的所有研究方向和研究进展, 但我们希望通过介绍有代表性的优秀成果, 促进我国粒子物理理论和实验同行的交流与合作, 激发更多的思想火花与创新灵感, 推动我国科学家瞄准关键科学问题, 依托LHCb实验平台开展更广泛、深入的粒子物理前沿探索. 最后, 感谢所有作者、审稿人和编辑人员的大力支持.

专题特邀编辑

高原宁北京大学博雅讲席教授, 中国科学院院士. 现任北京大学物理学院院长, 核物理与核技术国家重点实验室主任, 北京现代物理研究中心、北京大学高能物理研究中心副主任, 中国物理学会副理事长, 高能物理分会副主任, 《科学通报》执行主编, 《物理实验》主编等. 长期从事粒子物理实验研究.

谢跃红华中师范大学教授. 现任夸克与轻子物理教育部重点实验室副主任, 中国物理学会高能物理分会常委. 主要从事重味物理与CP破坏的实验研究.

杨振伟北京大学博雅特聘教授. 现任LHCb国际合作组“成员委员会”委员. 主要从事重味物理与CP破坏的实验研究.

参考文献

[1] 李一鸣, 刘凯, 徐子骏. LHCb探测器及升级计划. 科学通报, 2024, 69: 4529–4539

[2] 张黎明, 傅金林, 蔡浩. LHCb实验上五夸克态研究进展. 科学通报, 2024, 69: 4540–4549

[3] 何吉波, 尹航. LHCb上双重味重子的实验研究进展. 科学通报, 2024, 69: 4550–4557

[4] 安刘攀, 李培荣, 杨振伟, 等. LHCb实验上重夸克偶素产生机制研究进展. 科学通报, 2024, 69: 4558–4569

[5] 吕晓睿, 傅金林. LHCb实验上粲重子寿命和质量的精确测量. 科学通报, 2024, 69: 4570–4576

[6] 谢跃红, 张黎明. 中性B介子衰变中时间依赖CP破坏的实验研究进展. 科学通报, 2024, 69: 4577–4589

[7] 钱文斌, 杨友华, 张宇, 等. LHCb实验上底强子衰变直接CP破坏的测量. 科学通报, 2024, 69: 4590–4600

[8] 尹航, 徐梦琳. LHCb实验上前向区域的电弱物理测量. 科学通报, 2024, 69: 4601–4610

[9] 李衡讷. LHCb实验利用电弱探针与光诱导过程研究核物质效应的进展. 科学通报, 2024, 69: 4611–4619

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