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通用粒子物理实验测量支持轻子普适性

2021-07-13 14:42          粒子物理学 欧洲核子研究中心LHC

推动知识前沿

ATLAS 是欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的通用粒子物理实验。它旨在利用 LHC 的全部发现潜力,推动科学知识的前沿。

全球合作

ATLAS 由来自世界各地的物理学家、工程师、技术人员、学生和支持人员组成。它是科学领域有史以来规模最大的合作项目之一,拥有超过 5500 名成员和近 3000 名科学作者。

实验巨兽

ATLAS 是有史以来为粒子对撞机建造的最大探测器:长 46 米,直径 25 米。它的建造突破了现有技术的极限。ATLAS 旨在记录 LHC 的高能粒子碰撞,该碰撞以每秒超过 10 亿次相互作用的速度在探测器中心发生。

了解宇宙

ATLAS 物理学家正在研究物质的基本成分,以更好地理解它们相互作用背后的规则。他们的研究带来了突破性的发现,例如希格斯玻色子的发现。


合作的结果与标准模型预测一致,即 W 玻色子同样有可能衰变成 μ 子和 tau 子。


环形磁铁围绕着 ATLAS 探测器的热量计。图片来源:马克西米连·布莱斯,欧洲核子研究中心

粒子物理学合作一直在寻找测量结果与标准模型预测之间的差异。偏差可以帮助研究人员指明正确的方向(例如,参见Physics Today,2021 年 6 月,第 14 页)。因此,当一个工作组梳理了在欧洲核子研究中心现已拆除的大型电子 - 正电子对撞机 (LEP) 上进行的四项早期实验的数据时,研究人员很兴奋,发现结果与标准模型对轻子普遍性的断言不一致,尽管有可能不到 1%。

据说所有三个轻子代——电子、μ子和 tauonic——与弱力介导的 W 玻色子具有相同的耦合。因此,当 W 玻色子衰变时,它应该同样有可能产生任何一种轻子,以及与之相关的反中微子。费米实验室和欧洲核子研究中心的几项实验已经证实 W 玻色子以相同的速率产生电子和 μ 子。但 LEP 数据显示,tauons 的产生频率略高于 muons;它们的生产率之比为R ( τ / μ ) = 1.070 ± 0.026。其他研究包含底夸克的粒子的实验也发现了同样问题的迹象。

现在,ATLAS 合作已经收集和分析了大型强子对撞机 (LHC) 的数据,解决了明显的分歧。协作测量的精度是 LEP 结果的两倍,值R ( τ / μ ) = 0.992 ± 0.013,与 unity 的标准模型预测一致。

该实验利用了 LHC 的质子-质子碰撞产生大量顶-反顶夸克对的事实。顶夸克几乎总是衰变成 W 玻色子和底夸克,因此研究人员可以轻松获得许多可以观察到衰变的 W 玻色子。一些 W 玻色子直接产生 μ 子,而另一些则产生中间 tauons,后来衰变成 μ 子。由于它们的起源不同,μ子形成了两个群体,它们在探测器中的信号可以通过粒子的撞击参数和横向动量来区分。ATLAS 研究人员分析了每种类型的轻子数以万计的 W 玻色子衰变,而 LEP 数据中每个只有几千次,并计算了每条路径有多少次。

总的来说,数据现在支持标准模型对 W 玻色子衰变中轻子普遍性的预测。但搜索仍在继续:在开始引起高能物理学家注意的显着水平的美介子衰变中也发现了轻子普遍性违反的迹象。(ATLAS 合作,Nat. Phys.,2021,doi:10.1038/s41567-021-01236-w。)

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