欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的CMS实验近日宣布，首次观测到η介子衰变为两个μ子和两个电子的罕见现象。这是继2023年成功观测到η介子衰变为四个μ子之后，CMS实验在轻粒子研究领域取得的又一重要发现。
η介子是由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的复合粒子，属于介子家族中较轻的成员。所有介子都不稳定，存在时间不到千万分之一秒便会衰变为其他粒子。根据粒子物理学标准模型的预测，η介子衰变为μ子对和电子对的概率约为百万分之二，属于极其罕见的过程。
上图：η介子衰变为两个μ子和两个电子的示意图(费曼图)，该衰变由两个“虚”光子介导。
CMS探测器最初是为发现希格斯玻色子和寻找可能改变宇宙认知的重粒子而建造的，但其强大的探测能力同样适用于研究已知轻粒子的性质。此次观测的关键在于CMS采用的数据暂存技术。通常情况下，触发系统会因计算资源有限而丢弃大量事件，但通过暂存原始数据供后续分析，研究团队得以保留许多原本会被舍弃的低能μ子和电子事件。这些事件经过严格筛选，排除了其他背景过程的干扰。
上图：四种轻子(两个μ子和两个电子)不变质量的直方图，数据点为实验数据，拟合曲线为蓝紫色曲线，其中包含拟合的信号成分(红色虚线)和背景成分(灰色虚线)。图中还显示了模拟得到的信号形状预测(橙色线)。η介子质量为0.55 GeV处的峰值非常明显。
实验结果显示，由两个μ子和两个电子重建的不变质量谱在0.55 GeV处出现了一个清晰的峰值，与η介子的质量完全吻合，表明观测到的粒子确为η介子的衰变产物。该研究测得η介子衰变为μ子对和电子对的比例约为百万分之2.4，不确定度约为33%，与标准模型的预测相符。
研究人员指出，相对较大的不确定度表明仍有提升测量精度的空间。未来几年，随着LHC第三轮运行（Run 3）数据量的增加以及CMS探测器重建低能电子方法的改进，有望实现更精确的测量。
