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欧洲核子研究中心物理学家测量中性粲介子的质量振荡

2021-06-28 15:46          粲介子 LHCb 欧洲核子研究中心LHC

粲介子:中性粲介子由夸克和反夸克组成,可以以粒子和反粒子的叠加形式存在。(提供:iStock/Traffic-Analyzer)

日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作组织观察并测量了中性粲介子的测量质量中的一个关键振荡,该振荡是由粒子转变为反粒子并再次转变产生的。研究人员说,尽管这一探测与粒子物理学的标准模型完全一致,但它可以在未来的实验中为超越标准模型的物理学提供一个 清晰的窗口。

介子是由一个夸克和一个反夸克的结合态组成的粒子。它们对核结合至关重要,因为它们调解质子和中子之间的强相互作用,但是在自然界中,自由介子只作为宇宙射线相互作用的短命衰变产物存在。然而,它们可以很容易地在粒子加速器中产生,并且几十年来一直被深入研究。

正如质子和中子有重的对应物,如西格玛重子,其中一个或多个向上或向下的夸克被一个更重的表亲取代,介子也是如此。标准模型预测,这些重介子中的一些以粒子和反粒子的叠加形式存在,其量子波函数随着粒子的传播而变化。因此,检测到介子或反介子的概率也应该不断变化。

质量差异

由于受量子力学和弱相互作用支配的复杂原因,在两个允许的叠加状态之间存在着寿命--或宽度--和质量的差异。这两种差异都会影响检测到的介子和反介子的比例。

"宽度差异只是允许从介子到反介子的缓慢时间演变,"牛津大学的LHCb发言人盖伊-威尔金森解释说。"只有质量差异才允许粒子变成另一个粒子,并再次返回。" 2007年,在日本的Belle合作组织和加利福尼亚的BaBar合作组织的数据中,首次证实了由于宽度不同而导致的演变。由质量差异引起的正弦振荡在其他粒子中也曾出现过,如奇美介子,但以前从未在奇美介子中出现过。

宽度和质量差异对于探测违反电荷奇偶性(CP)对称性都是至关重要的。这是一种假设,即如果电荷和奇偶性同时被交换,物理学定律看起来是相同的。这相当于探测物质-反物质的不对称性,因此研究CP违反情况可以解释为什么宇宙中的物质比反物质多得多。

"好地方"

"CP违反可以在标准模型内被容纳,"威尔金森说,"但它不能被解释。粲粒子是一个很好的观察点的原因是,你在标准模型中期望的CP违反水平是很小的。如果有CP违反来自标准模型之外的某个来源,它应该表现得更清楚......"

LHCb在2019年对中性粲介子衰变为其他介子的测量中确实观察到了CP违反。然而,这是否与标准模型相一致,是有争议的。"你有一些理论家说'这很了不起:它比我们预期的要高得多',还有许多人说'我们差不多可以容纳这个',"威尔金森说;"如果你在这些混合相关现象中寻找CP违反,人们对他们的计算就会更有信心。"

然而,目前还不清楚由中性粲介子之间的质量差异所产生的振荡是否可以被探测到。"威尔金森说:"它可能远远超出了我们的灵敏度,但事实证明,尽管它是一个小参数,但它并不是小得离谱。

没有确切的证据

研究人员到目前为止的观察没有显示出CP违反的确切证据。然而,他们现在正在安装一个升级版的实验,为明年高亮度大型强子对撞机的启动做好准备。"威尔金森总结说:"如果我们在未来10年内看到任何CP违反,那么理论家将很难以任何其他方式解释它,只能说这是超越标准模型的物理学。

夏威夷大学的汤姆-布朗德说:"这是非常重要的,"他是2007年Belle合作组织对寿命参数的测量的一部分,现在他正在研究其后续的Belle II。"我和其他许多人几十年来一直在努力观察中性粲混合,LHCb终于成功地测量了这个质量参数。" 他希望这些结果能够得到其他实验的证实,比如他自己的实验,并表示,如果研究人员在目前的敏感度水平上看到任何CP违反的证据,"这很可能是新物理学的一把烟枪"。

"在这个过程中看到CP违反之前肯定还有一段路要走,除非CP违反比标准模型预测的要大得多,"芝加哥恩里科-费米研究所的乔纳森-罗斯纳说;"这只是显示了LHCb探测器的多功能性:这已经是一个巨大的成功故事。"

该研究在arXiv上的预印本中进行了描述。

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