北京谱仪III实验实现粲介子半轻衰变高精度测量并首次约束“标量流”

近日，北京谱仪III（BESIII）国际合作组利用目前世界上最大的近阈粲介子数据样本，对D⁰→K⁻e⁺νₑ、D⁰→K⁻μ⁺νμ、D⁺→K̄⁰e⁺νₑ和D⁺→K̄⁰μ⁺νμ四个半轻衰变道进行了联合测量。研究团队以优于0.5%的精度提取了夸克混合矩阵元 |Vcs|，以优于0.2%的精度测定了形状因子零点值f₊(0)，并在0.5%精度水平上验证了上述过程中的轻子普适性。除上述标准模型参数的精确测定外，更值得关注的是，该实验首次在粲夸克衰变中为标量流贡献划定了实验允许区域。

粲介子的半轻衰变过程是连接弱相互作用和强相互作用的理想桥梁。在夸克层次上，粲夸克（c）可以通过弱作用转变为一个轻夸克（q=s,d），同时释放一个虚W⁺玻色子（c→qW⁺），后者衰变为带正电轻子与中微子（W⁺→ℓ⁺νℓ），原粲介子中的另一轻夸克作为“旁观者”进入末态轻介子，如图1所示。这类过程的弱作用强度由标准模型基本参数——夸克混合矩阵元|Vcq|决定，而强相互作用的非微扰效应则全部包含在随轻子对四动量转移q²变化的形状因子f₊(q²)中。通过高精度研究粲介子半轻衰变过程的内部动力学，可以精确测定|Vcq|以检验夸克混合矩阵的幺正性，同时可精确测量形状因子零点值f₊(0)，从而为格点量子色动力学的计算提供刻度基准。

标准模型认为：三代带电轻子（电子、缪子、陶子）除质量外具有完全相同的相互作用性质，即轻子普适性；同时带电流具有纯矢量−轴矢量结构，不含标量流。然而，近年来，在底介子半轻衰变中观测到若干轻子味非普适性迹象，引发了学界的热切关注，一些超出标准模型新物理模型认为标量流是可能的理论解释之一，而粲介子衰变为此提供了独立的检验平台。

BESIII实验利用约一亿四千万粲介子对及低本底优势，对上述四个衰变道进行了联合分析。在系统误差严格控制的前提下，研究团队测得|Vcs|的精度达到约0.5%，f₊(0)的精度约为0.2%。对轻子普适性的检验结果显示，电子道与缪子道的衰变率之比与标准模型预言在0.5%精度内一致，未发现明显偏离。图2汇总了不同实验对|Vcs|测量结果的权重比较，显示这些成果在粲物理相关领域的最高精度水平。在完成上述标准模型参数的精确测定后，研究团队进一步分析了标量流的可能贡献。分析表明，粲介子缪子道半轻衰变中假设标量流为零时，实验数据呈现2.3倍标准偏差的偏离（如图3所示）。这是首次在粲夸克半轻衰变中划定标量流的实验允许区域，显著压缩了相关新物理参数空间，为理解B介子半轻衰变中的轻子味非普适性迹象提供了重要互补的信息。

该成果以快报和配套长文形式分别发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）137, 091803（2026）和《物理评论D》（Physical Review D）114, 033008（2026）。相关分析工作由中国科学院高能物理研究所马海龙研究员指导的博士生曾溢嘉主导完成。研究得到中国科学院、科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

图1. D介子半轻衰变到反K介子的示意图。标准模型过程由W⁺玻色子介导，潜在的带电标量粒子H⁺等可产生额外的标量流贡献。

图2. 不同实验对|Vcs|测量的权重比较

图3. BESIII给出的缪子道复标量流系数置信区域