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      作者:馮維維 來源:中國科學報 發布時間:2021/10/20 17:03:29
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      新基礎物理學再添“證據”

       

      圖片來源:劍橋大學

      歐洲核子研究中心的大型強子對撞機底夸克探測器(LHCb)實驗公布的結果,為目前的基礎物理學理論無法解釋的現象提供了進一步的線索。

      2020年3月,同一項實驗公布的證據表明,粒子打破了標準模型的核心原則之一(當前關于粒子和作用力的最佳理論),表明可能存在新的基本粒子和力。

      現在,劍橋大學卡文迪許實驗室的物理學家進行了進一步的測量,發現了類似的效應,為新物理學的發展進一步提供了支持。

      標準模型描述了所有已知組成宇宙的粒子以及它們相互作用的力。迄今為止,它已經通過了所有的實驗測試,但物理學家知道它肯定是不完整的。它不包括重力,也不能解釋大爆炸中物質是如何產生的,也不包含能夠解釋神秘暗物質的粒子,天文學家認為這種暗物質的豐富程度是人們周圍可見世界物質豐富程度的5倍。

      因此,物理學家長期以來一直在尋找標準模型之外的物理跡象,來幫助解開這些謎題。尋找新粒子和作用力的最好方法之一是研究被稱為美麗夸克的粒子。它們是構成原子核的上下夸克的奇異“表親”。

      美夸克在世界上并不大量存在,因為它們的壽命非常短——在轉化或衰變為其他粒子之前,平均只存在一萬億分之一秒。然而,歐洲核子研究中心的巨型粒子加速器大型LHC每年都會產生數十億個美麗夸克,這是由專門建造的名為LHCb的探測器記錄的。

      美夸克衰變的方式可能會受到未被發現的力或粒子的存在的影響。今年3月,LHCb的一組物理學家公布的結果顯示,美夸克衰變為μ子的頻率低于衰變為較輕的電子的頻率。這在標準模型中是無法解釋的,除了電子比介子輕200倍之外,標準模型對電子和介子的處理是一樣的。因此,美夸克應該以相同的速率衰變為介子和電子。相反,LHCb的物理學家發現介子衰變的發生頻率僅為電子衰變的85%左右。

      LHCb的結果和標準模型之間的差異大約是三個實驗誤差單位,在粒子物理學中被稱為“3西格瑪”。這意味著只有大約千分之一的概率的結果是由統計上的僥幸造成的。

      假設結果是正確的,最有可能的解釋是,一種新的力在以不同的強度吸引電子和介子,干擾了這些美夸克的衰變。然而,為了確定這種效果是否真實,還需要更多的數據來減少實驗誤差。只有當一個結果達到“5西格瑪”閾值,當它是由隨機概率造成的概率小于百萬分之一時,粒子物理學家才會開始認為它是一個真正的發現。

      “事實上,我們看到了與同事在3月份所做的相同的效果,這無疑增加了處于發現新東西邊緣的機會。”卡文迪許實驗室的Harry Cliff博士說,“對這個謎題有更多的了解真是太好了。”

      最新的結果檢測了兩個新的美夸克衰變,它們來自三月份的結果中使用的衰變家族。研究小組發現了同樣的效應——介子衰變的發生頻率僅為電子衰變的70%左右。這一次的誤差更大,這意味著偏差在“2西格瑪”左右,這意味著它有超過2%的可能性是由于數據的統計特性。雖然這一結果本身并不是結論性的,但它確實為越來越多的證據提供了進一步的支持,這些證據表明,有新的基本力量有待發現。

      “升級后的LHCb探測器即將啟動,并將進一步收集數據,LHC提供的研究結果令人興奮的程度正在加大,這些數據將提供必要的統計數據,以宣布或駁斥一項重大發現。”卡文迪什實驗室教授Val Gibson說。

      相關論文信息:

      https://arxiv.org/abs/2110.09501

       
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