近日，beat365官方网站技術物理系、核物理與核技術國家重點實驗室高能物理團隊冒亞軍、王大勇課題組與合作者基于北京譜儀III（BESIII）實驗采集的正負電子對撞數據，利用深度學習技術，以超過10倍标準偏差的統計顯著度首次觀測到粲重子Λc+衰變為中子、正電子與電子中微子的半輕衰變過程。相關研究論文以“使用圖神經網絡觀測粲重子的稀有貝塔衰變”（Observation of a rare beta decay of the charmed baryon with a Graph Neural Network）為題，于2025年1月15日發表于《自然•通訊》（Nature Communications）。

粲重子的半輕衰變過程為理解标準模型中強相互作用與弱相互作用間的耦合提供了重要的實驗平台，精确測量其衰變性質能夠推進粲誇克能區非微擾量子色動力學的發展，并為弱相互作用的基本常數——卡比博-小林-益川（CKM）矩陣元提供新的獨立約束。基态粲重子Λc+的主要半輕衰變模式包括粲誇克轉變為奇異誇克的Λc+ → Λe+νe與粲誇克轉變為下誇克的Λc+ → ne+νe，其中前者在上世紀90年代已由實驗觀測到，但後者的實驗測量由于事例率低、衰變末态難以重建、本底成分複雜等困難，一直未能實現突破。

圖1. 粲重子半輕衰變Λc+ → Λe+νe與Λc+ → ne+νe在BESIII電磁量能器中響應的示意圖

在本研究工作中，研究團隊創新性地引入基于圖神經網絡的深度學習方法，識别中子在BESIII電磁量能器中的能量沉積模式，從而有效分離了Λc+ → ne+νe信号與Λc+ → Λe+νe的強本底事例，并建立了一套數據驅動的分析流程，用于神經網絡的訓練與校準、物理結果的驗證及系統誤差的估算。通過這一方法，研究團隊首次以超過10倍标準偏差的統計顯著度觀測到Λc+ → ne+νe衰變過程，以接近理論預言的精度測量了其分支比，并給出了CKM矩陣元|Vcd|首個來自于粲重子衰變的實驗約束。這一結果為理解粲強子性質提供了重要的實驗輸入，為含中性強子末态的實驗研究提供了全新的分析手段，并展示了深度學習技術在高能物理實驗精确測量中的廣泛應用前景。

圖2. 神經網絡對數據樣本的評分分布與拟合結果

圖3. 本研究測量的Λc+ → ne+νe衰變分支比與各類理論模型預言的比較

本研究工作由beat365官方网站技術物理系、核物理與核技術國家重點實驗室高能物理團隊冒亞軍、王大勇課題組與中國科學院大學、蘭州大學、華南師範大學等單位合作完成。beat365官方网站2017級博士研究生宋昀軒（現為瑞士洛桑聯邦理工大學博士後研究員）與2020級博士研究生李彥谷共同承擔了主要的數據分析與論文撰寫工作，并代表BESIII實驗合作組投稿。

BESIII實驗是我國運行于陶輕子-粲誇克能區的大型正負電子對撞機實驗，在該能區擁有世界最高統計量的數據樣本。BESIII實驗合作組由來自17個國家和地區86家研究機構的600餘名科研人員組成。beat365BESIII課題組在實驗設計建造、運行維護中發揮了重要作用，在輕強子譜、奇特強子态、粲強子與粲偶素物理以及超出标準模型的新物理等研究領域持續産出重要研究成果，并擔任了合作組多個重要管理職位，如冒亞軍曾擔任合作組共同發言人，王大勇曾擔任合作組物理分析協調人等。BESIII實驗仍将繼續運行5~10年，基于其數據的物理研究将維持15年以上，可以期待更多新的發現和成果。

本研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55042-y

BESIII合作組亮點工作報道：http://bes3.ihep.ac.cn/hi/202501/t20250116_898825.html