Fyndet handlar om ett betydande slag mot teorin om fysik som kallas supersymmetri.
Många forskare hade hoppats att LHC skulle ha bekräftat detta vid det här laget.
Supersymmetri, eller Susy, har vunnit popularitet som ett sätt att förklara några av inkonsekvenserna i den traditionella teorin om subatomär fysik känd som standardmodellen.
Den nya observationen, som rapporterades vid Hadron Collider Physics konferens i Kyoto och beskrivs i en as-ännu opublicerad tidning, överensstämmer inte med många av de mest sannolika modellerna av Susy.
Prof Chris Parkes, som är talesperson för Storbritanniens deltagande i LHCb experimentet, berättade för BBC News: "Supersymmetri kanske inte är död men dessa senaste resultat har säkert lagt det på sjukhus."
Supersymmetri teoretiserar förekomsten av mer massiva versioner av partiklar som redan har upptäckts.
Om de hittas, kan de hjälpa till att förklara fenomenet som kallas mörk materia. Galaxier verkar rotera snabbare i sina kanter än den materia vi ser kan redogöra för, och en uppsättning kandidater för denna saknade mörka materia är supersymmetriska partiklar.
Men forskare vid LHCb-detektorn har gett ett hårt slag mot förhoppningarna om att hitta dem.
De har mätt sönderfallet mellan en partikel som kallas Bs Meson till två partiklar som kallas muoner. Det är första gången som detta förfall någonsin har observerats, och laget har beräknat att för varje miljard gånger som Bs Meson förfaller det bara förfaller på detta sätt tre gånger.
Om superpartiklar skulle existera, skulle förfallet inträffa mycket oftare. Detta experiment är ett av de "gyllene" testerna för supersymmetri, och det verkar som om denna enormt populära teori bland fysiker har misslyckats.
Resultatet är på en statistisk nivå av "3.5 sigma" - vilket innebär att det finns en en-i-4300 chans att laget skulle se samma "bump" i sina data om förfallet inte skulle ske. Denna nivå gör fyndet värt ytterligare utredning, men ligger långt under den säkerhetsnivå på 5 sigma som krävs för en formell upptäckt.
Prof Val Gibson, ledare för Cambridge University LHCb team, sade att det nya resultatet var "att sätta våra supersymmetri teori kollegor i en spinn".
Resultaten är i själva verket helt i linje med vad man skulle förvänta sig av standardmodellen. Det finns redan oro för att LHCb syster detektorer kan ha förväntat sig att ha upptäckt superpartiklar vid det här laget, men ingen har hittats hittills.
Om supersymmetri inte är en förklaring till mörk materia, då måste teoretiker hitta alternativa idéer för att förklara dessa inkonsekvenser i Standardmodellen. Hittills forskare som är racing för att hitta bevis för så kallade "ny fysik" har stött på en rad återvändsgränder.
"Om ny fysik finns, då det gömmer sig mycket väl bakom standardmodellen," kommenterade Cambridge fysiker Dr Marc-Olivier Bettler, en medlem av analysteamet.
Resultatet utesluter inte möjligheten att superpartiklar existerar. Men enligt Prof Parkes "får de slut på gömställen".
Stödare av supersymmetri, dock, såsom Prof John Ellis av King's College London, sade att observationen är "quite consistent with supersymmetri".
"I själva verket", sade han, "(det) förväntades faktiskt i (vissa) supersymmetriska modeller.  Jag kommer verkligen inte att förlora någon sömn över resultatet."
• Standardmodellen är den enklaste uppsättningen ingredienser - elementära partiklar - som behövs för att skapa den värld vi ser i himlarna och i laboratoriet
• Quarks kombineras för att till exempel göra protonen och neutronen - som utgör atomkärnorna idag - även om mer exotiska kombinationer fanns runt i universums tidiga dagar
• Leptoner kommer i laddade och oladdade versioner; elektroner - den mest bekanta laddade lepton - tillsammans med kvarkar utgör allt det vi kan se; de oladdade leptonerna är neutriner, som sällan interagerar med materian
• De "kraftbärare" är partiklar vars rörelser observeras som välbekanta krafter såsom de bakom elektricitet och ljus (elektromagnetism) och radioaktivt sönderfall (den svaga kärnkraften)
• Higgs boson kom till för även om standardmodellen håller ihop prydligt, ingenting kräver partiklarna att ha massa; för en fylligare teori, Higgs - eller något annat - måste fylla i den luckan
Följ Pallab på Twitter
Forskare vid Large Hadron Collider har upptäckt en av de sällsyntaste partiklar sönderfall som setts i naturen.