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俄物理学家提出新理论模型助解强相互作用难题

2026-04-03 10:44          俄罗斯 对撞机 俄罗斯对撞机核物理粒子物理

标准模型(SM)是现代微观世界理论,描述了所有已知基本粒子及其电磁、强、弱相互作用。其中,电磁和弱相互作用已充分研究且预测完美,但强相互作用理解尚不充分。

参与强相互作用的主要强子介子和重子由夸克构成,在某些情况下,了解夸克性质可计算复合粒子参数。当碰撞的电子和正电子能量接近复合粒子质量时,会出现电子 - 正电子湮灭概率急剧增加的共振现象,共振不仅与新介子或重子产生有关,还与现有介子或重子相互作用有关。列别捷夫核物理研究所专家发现,这些共振与已知粒子相互作用有关。

俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克核物理研究所(BINP SB RAS)研究人员提出理论概念,用于描述电子 - 正电子碰撞中产生的强相互作用粒子间的相互作用过程。该理论模型解决了几个重要问题:解释了介子和重子对产生概率对碰撞能量的强烈依赖性,能描述强相互作用结构和所产生粒子性质;有助于实验人员理解对撞机上观察到的效应本质,更准确判断面对的是新粒子还是已知粒子间的共振相互作用。论文预印本已发表在arXiv网站上。

粒子物理学是实验科学,加速器用于测量粒子参数和研究相互作用,理论则建立在实验数据之上,二者相辅相成。俄罗斯科学院西伯利亚分院物理研究所高级研究员、物理与数学博士候选人谢尔盖·萨尔尼科夫称,对于电磁和弱相互作用,进行理论计算并获得相关预测相对容易;但在强相互作用中,所有效应显著得多,无法像对前两者那样从第一性原理推导出预测,理论学家会基于实验数据创建唯象模型或描述性模型来解释对撞机探测到的现象。

第一性原理是基于基本概念和基本方程(如标准模型拉格朗日量)进行理论计算,标准模型拉格朗日量基于规范对称性描述所有已知基本粒子及其相互作用(引力除外)。若该方法无法预测,理论物理学家就会建立唯象理论,在更高层次描述观测现象及其相互关系,但不提供微观原因或基本机制的详细解释。

谢尔盖·萨尔尼科夫,物理学和数学博士。照片由T. Morozova拍摄。

谢尔盖·萨尔尼科夫解释,人们普遍认为介子和重子是复合粒子,在电子 - 正电子对撞机中观测到多种以共振形式出现的介子,如ψ介子、υ介子、D介子和B介子等。物理学家希望将观测到的共振描述为新粒子,但也有过程以共振形式出现却不涉及新粒子产生,在反应中产生的已知粒子相互作用过程(末态相互作用)中也可观察到类似效应。例如在VEPP - 2000对撞机上,电子 - 正电子湮灭过程中可观测到由质子和反质子相互作用产生的共振。研究这类效应与研究新粒子产生同样重要,可获得关于质子或中间粒子的额外信息。

多年来,俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所物理学家一直在开发理论模型,该模型几乎可描述强相互作用条件下所有末态粒子的相互作用,此唯象理论基于在VEPP - 2000(俄罗斯)、Belle II(日本)和BES III(中国)对撞机上获得的实验数据。

谢尔盖·萨尔尼科夫称,很难说概念中包含多少粒子,因新粒子总会意外出现。不过他们研究了五种相对不同的相互作用过程,还有其他未来研究方向,当俄罗斯科学院西伯利亚分院物理研究所(INP SB RAS)的VEPP - 6对撞机建成后,会有新研究课题。在现有实验贡献方面,如在关于B介子的工作中,他们注意到带电粒子和中性粒子的末态相互作用结构不同,带电介子受库仑引力影响,会影响对其质量的准确测量。在最近由俄罗斯科学院西伯利亚分院物理研究所参与的国际Belle II实验中,同事考虑到了这一点,经复杂数据处理后,获得了带电B介子和中性B介子质量差的更精确测量结果。


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