Эксперимент BESIII на установке «Пекинский спектрометр III» достиг высокой точности измерения полулептонных распадов очарованных мезонов и впервые ограничил «скалярный ток»

Недавно международная коллаборация BESIII (Пекинский спектрометр III), используя крупнейшую в мире выборку данных по очарованным мезонам вблизи порога рождения, провела совместное измерение четырёх полулептонных каналов распада: D⁰→K⁻e⁺νₑ, D⁰→K⁻μ⁺νμ, D⁺→K̄⁰e⁺νₑ и D⁺→K̄⁰μ⁺νμ. Исследовательская группа извлекла элемент матрицы смешивания кварков |Vcs| с точностью лучше 0,5%, определила значение формфактора в нулевой точке f₊(0) с точностью лучше 0,2% и проверила лептонную универсальность в указанных процессах на уровне точности 0,5%. Помимо точного определения указанных параметров Стандартной модели, особого внимания заслуживает тот факт, что в данном эксперименте впервые была установлена экспериментально допустимая область для вклада скалярного тока в распадах очарованных кварков.

Полулептонные распады очарованных мезонов служат идеальным мостом, связывающим слабое и сильное взаимодействия. На кварковом уровне очарованный кварк (c) может посредством слабого взаимодействия превратиться в лёгкий кварк (q=s,d), испуская при этом виртуальный W⁺-бозон (c→qW⁺), который распадается на положительно заряженный лептон и нейтрино (W⁺→ℓ⁺νℓ), а другой лёгкий кварк исходного очарованного мезона выступает в роли «наблюдателя», переходя в конечный лёгкий мезон, как показано на рис. 1. Интенсивность слабого взаимодействия в таких процессах определяется фундаментальным параметром Стандартной модели — элементом матрицы смешивания кварков |Vcq|, тогда как все непертурбативные эффекты сильного взаимодействия заключены в формфакторе f₊(q²), зависящем от переданного четырёхимпульса лептонной пары q². Благодаря высокоточному исследованию внутренней динамики полулептонных распадов очарованных мезонов можно точно определить |Vcq| для проверки унитарности матрицы смешивания кварков, а также точно измерить значение формфактора в нулевой точке f₊(0), что обеспечивает калибровочный эталон для расчётов квантовой хромодинамики на решётке.

Стандартная модель утверждает: три поколения заряженных лептонов (электрон, мюон, тау-лептон) обладают полностью идентичными свойствами взаимодействия, за исключением массы, что называется лептонной универсальностью; кроме того, заряженный ток имеет чисто векторно-аксиально-векторную структуру и не содержит скалярного тока. Однако в последние годы в полулептонных распадах B-мезонов наблюдаются признаки нарушения лептонной универсальности, что вызвало активный интерес в научном сообществе. Некоторые модели новой физики за пределами Стандартной модели рассматривают скалярный ток как одно из возможных теоретических объяснений, а распады очарованных мезонов предоставляют независимую платформу для проверки этой гипотезы.

Эксперимент BESIII, используя выборку из примерно ста сорока миллионов пар очарованных мезонов и преимущество низкого фона, провёл совместный анализ указанных четырёх каналов распада. При строгом контроле систематических погрешностей исследовательская группа достигла точности измерения |Vcs| около 0,5% и точности определения f₊(0) около 0,2%. Результаты проверки лептонной универсальности показывают, что отношение скоростей распада в электронном и мюонном каналах согласуется с предсказаниями Стандартной модели в пределах 0,5% без обнаружения значимых отклонений. На рис. 2 представлено взвешенное сравнение результатов измерения |Vcs| различными экспериментами, демонстрирующее, что данные результаты достигнуты на высочайшем уровне точности в соответствующей области физики очарованных частиц. После завершения точного определения указанных параметров Стандартной модели исследовательская группа провела дальнейший анализ возможного вклада скалярного тока. Анализ показал, что при предположении нулевого скалярного тока в полулептонных распадах очарованных мезонов в мюонном канале экспериментальные данные демонстрируют отклонение на уровне 2,3 стандартных отклонений (как показано на рис. 3). Это первый случай установления экспериментально допустимой области для скалярного тока в полулептонных распадах очарованных кварков, что существенно ограничивает пространство параметров соответствующей новой физики и предоставляет важную взаимодополняющую информацию для понимания признаков нарушения лептонной универсальности в полулептонных распадах B-мезонов.

Данные результаты опубликованы в виде краткого сообщения и сопровождающей подробной статьи в журналах Physical Review Letters 137, 091803 (2026) и Physical Review D 114, 033008 (2026) соответственно. Соответствующая аналитическая работа выполнена под руководством профессора Ма Хайлуна из Института физики высоких энергий Китайской академии наук аспирантом Цзэн Ицзя. Исследование поддержано Китайской академией наук, программой ключевых исследований и разработок Министерства науки и технологий, Национальным фондом естественных наук Китая и другими проектами.

Рис. 1. Схема полулептонного распада D-мезона на анти-K-мезон. Процесс в рамках Стандартной модели опосредован W⁺-бозоном; потенциальные заряженные скалярные частицы H⁺ и другие могут давать дополнительный вклад скалярного тока.

Рис. 2. Взвешенное сравнение результатов измерения |Vcs| различными экспериментами

Рис. 3. Доверительная область для комплексного коэффициента скалярного тока в мюонном канале по данным BESIII