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科学家捕捉到了粲介子的微小振荡

2021-08-02 15:24          欧洲核子研究中心原子核LHC

科学家们观察到粲介子异常微小的振荡,粲介子是一种同时包含夸克和反夸克的亚原子粒子。

这种振荡证明粲介子粒子可以在物质和反物质状态之间交替。

为了测量微小的相互作用,科学家们不得不将他们的实验缩小到 1 x 10^-38 克的极小尺寸。

据首次参与记录这一现象的 1,000 多名物理学家组成的团队称,一种被称为粲介子的古怪亚原子粒子具有看似神奇的能力,可以在物质和反物质之间切换状态(然后再切换回来)。

牛津大学的研究人员使用大型强子对撞机 (LHC) 的第二次运行数据——位于瑞士的欧洲核研究组织(国际上称为 CERN)的粒子加速器——通过对质量的极其精确的测量做出了决定。两个粒子:处于粒子和反粒子状态的粲介子。

是的,量子物理学的这一突破听起来很令人兴奋。毕竟,粲介子粒子可以同时存在于它本身和它的邪恶双胞胎(反粒子版本)的状态中。这种状态被称为“量子叠加”,它是著名的薛定谔猫思想实验的核心。

由于这种情况,粲介子以两个不同质量的两个不同粒子的形式存在。但是,根据科学家的研究,准确地说,两者之间的差异非常小——0.0000000000000000000000000000000000001 克,在上个月发表在 arXiv 预印本服务器上的一篇新论文中进行了描述(这意味着这项工作尚未经过同行评审) . 他们最近提交了在《物理评论快报》杂志上发表的工作。

虽然调查结果基本上是微不足道的定义,但后果绝不是;物理学家说,粲介子粒子作为自身及其另一个自我存在的能力可能会动摇我们对现实本质的假设。

什么是粲介子粒子?

要了解这里发生了什么,我们首先必须解开介子粒子。这些是极短寿命的亚原子粒子,具有平衡数量的夸克和反夸克。如果你跳过了量子物理学的那堂课,夸克是结合在一起形成“强子”的粒子,其中一些是质子和中子——原子核的基本组成部分。

粒子物理学的标准模型包括物质粒子(夸克和轻子)、携带力的粒子(玻色子)和希格斯玻色子。


通过对称杂志:费米实验室/SLAC 联合出版物。

夸克有六种“味”:上、下、粲、奇、顶、底。每个都有一个反粒子,称为反夸克。夸克和反夸克之所以不同,是因为它们具有不同的特性——例如大小相等但符号相反的电荷。

回到介子:它们几乎和中子或质子一样大,但非常不稳定。因此,它们在自然界中并不常见,但物理学家有兴趣在人造环境(如LHC)中研究它们,因为他们想更好地了解夸克。那是因为,与轻子一起,夸克构成了所有已知物质。

粲介子可以作为其粒子和反粒子状态的混合物传播(这种现象被恰当地称为“混合”)。物理学家已经知道这一点十多年了,但新的研究首次表明,粲介子实际上可以在两种状态之间来回振荡。

什么是反物质?

反夸克是夸克的对立面,被认为是反物质的一种。这些粒子可以抵消普通物质的影响ーー如果你希望宇宙存在的话,这就是一个问题。各种各样的反物质几乎都是用反前缀来命名的,就像夸克对反夸克一样。更具体地说,一个粲介子通常有一个粲夸克和一个上夸克,而它的反伴侣有一个粲反夸克和一个上夸克。

需要注意的是,粲介子并不是唯一可以在物质和反物质状态之间振荡的粒子。此前,物理学家们在标准模型(解释粒子物理学的理论)中观测到了另外三个粒子。包括奇异介子、美介子和奇美介子。为什么粲介子这么长时间都没有出现?粲介子振荡得非常缓慢,这意味着物理学家必须以极其精细的细节进行测量。事实上,大多数粲介子在完全振荡发生之前就会完全衰变,就像一个患有生长缓慢的肿瘤的老人。

科学家是如何捕捉到量子叠加中的粲介子的?


D1 和 D2 介子之间质量差异的图示。

欧洲核子研究中心

产生粲介子数据的大规模项目被称为 LHCb 实验。根据欧洲核子研究中心的说法,它试图研究为什么我们生活在一个充满物质但似乎没有反物质的世界中。

使用来自 LHC 产生的粲介子的大量数据,科学家们测量到的粒子差异为 1 x 10^-38 克。凭借那令人难以置信的细齿梳子,他们能够观察到魅力介子的叠加振荡。

科学家是如何测量这种令人难以置信的微小质量差异的?简而言之,大型强子对撞机定期产生各种介子作为其科学家工作的一部分。

“粲介子是在 LHC 质子-质子碰撞中产生的,通常它们只会传播几毫米,然后才会衰变成其他粒子,”牛津大学的一份新闻稿称。“通过比较倾向于传播得更远的粲介子与那些衰减得更快的粲介子,该团队确定质量差异是驱动粲介子是否变成反粲介子的主要因素。”

粲介子振荡本可以拯救宇宙


阿尔弗雷德·帕西卡 / 科学照片库GETTY IMAGES

现在科学家们终于观察到了粲介子振荡,他们希望揭开振荡过程本身的奥秘。

这条研究道路可能会导致对我们的世界最初是如何开始的有了新的理解。根据粒子物理学的标准模型,大爆炸应该产生等量的物质和反物质。谢天谢地,那没有发生——因为如果发生了,所有的反物质粒子都会与物质粒子相撞,摧毁一切。

物理学家说,很明显,我们世界中的物质和反物质碰撞不平衡,这个谜团的答案可能在于像粲介子这样难以理解的粒子振荡。现在,科学家们想了解从粒子到反粒子的跃迁率是否与从反粒子到粒子的跃迁率相同。

根据他们的发现,我们关于我们如何存在的概念——为什么我们生活在一个充满物质而不是反物质的世界,以及我们是如何来到这里的——可能永远改变。

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