作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2021/10/20 17:03:29
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新基础物理学再添“证据”

 

图片来源:剑桥大学

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机底夸克探测器(LHCb)实验公布的结果,为目前的基础物理学理论无法解释的现象提供了进一步的线索。

2020年3月,同一项实验公布的证据表明,粒子打破了标准模型的核心原则之一(当前关于粒子和作用力的最佳理论),表明可能存在新的基本粒子和力。

现在,剑桥大学卡文迪许实验室的物理学家进行了进一步的测量,发现了类似的效应,为新物理学的发展进一步提供了支持。

标准模型描述了所有已知组成宇宙的粒子以及它们相互作用的力。迄今为止,它已经通过了所有的实验测试,但物理学家知道它肯定是不完整的。它不包括重力,也不能解释大爆炸中物质是如何产生的,也不包含能够解释神秘暗物质的粒子,天文学家认为这种暗物质的丰富程度是人们周围可见世界物质丰富程度的5倍。

因此,物理学家长期以来一直在寻找标准模型之外的物理迹象,来帮助解开这些谜题。寻找新粒子和作用力的最好方法之一是研究被称为美丽夸克的粒子。它们是构成原子核的上下夸克的奇异“表亲”。

美夸克在世界上并不大量存在,因为它们的寿命非常短——在转化或衰变为其他粒子之前,平均只存在一万亿分之一秒。然而,欧洲核子研究中心的巨型粒子加速器大型LHC每年都会产生数十亿个美丽夸克,这是由专门建造的名为LHCb的探测器记录的。

美夸克衰变的方式可能会受到未被发现的力或粒子的存在的影响。今年3月,LHCb的一组物理学家公布的结果显示,美夸克衰变为μ子的频率低于衰变为较轻的电子的频率。这在标准模型中是无法解释的,除了电子比介子轻200倍之外,标准模型对电子和介子的处理是一样的。因此,美夸克应该以相同的速率衰变为介子和电子。相反,LHCb的物理学家发现介子衰变的发生频率仅为电子衰变的85%左右。

LHCb的结果和标准模型之间的差异大约是三个实验误差单位,在粒子物理学中被称为“3西格玛”。这意味着只有大约千分之一的概率的结果是由统计上的侥幸造成的。

假设结果是正确的,最有可能的解释是,一种新的力在以不同的强度吸引电子和介子,干扰了这些美夸克的衰变。然而,为了确定这种效果是否真实,还需要更多的数据来减少实验误差。只有当一个结果达到“5西格玛”阈值,当它是由随机概率造成的概率小于百万分之一时,粒子物理学家才会开始认为它是一个真正的发现。

“事实上,我们看到了与同事在3月份所做的相同的效果,这无疑增加了处于发现新东西边缘的机会。”卡文迪许实验室的Harry Cliff博士说,“对这个谜题有更多的了解真是太好了。”

最新的结果检测了两个新的美夸克衰变,它们来自三月份的结果中使用的衰变家族。研究小组发现了同样的效应——介子衰变的发生频率仅为电子衰变的70%左右。这一次的误差更大,这意味着偏差在“2西格玛”左右,这意味着它有超过2%的可能性是由于数据的统计特性。虽然这一结果本身并不是结论性的,但它确实为越来越多的证据提供了进一步的支持,这些证据表明,有新的基本力量有待发现。

“升级后的LHCb探测器即将启动,并将进一步收集数据,LHC提供的研究结果令人兴奋的程度正在加大,这些数据将提供必要的统计数据,以宣布或驳斥一项重大发现。”卡文迪什实验室教授Val Gibson说。

相关论文信息:

https://arxiv.org/abs/2110.09501

 
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