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新自然力量?CERN大型强子对撞机为新物理学带来诱人证据

2021-10-27 11:54     来源:cnBeta     LHC欧洲核子研究中心
大型强子对撞机(LHC)在3月份引发了全世界的兴奋,因为粒子物理学家报告了新物理学的诱人证据--可能是一种新的自然力量。现在,来自欧洲核子研究中心(CERN)巨大粒子对撞机的新结果--尚未经过同行评审--似乎正在进一步支持这一想法。

目前关于粒子和力量的最佳理论被称为标准模型,它准确无误地描述了我们所知道的关于构成我们周围世界的物理东西的一切。标准模型无疑是有史以来最成功的科学理论,但同时它是不完整的。它只描述了四种基本力中的三种--电磁力和强力、弱力,引力未包含在内。它没有解释天文学告诉我们的主导宇宙的暗物质也无法解释物质如何在大爆炸中存活。因此,大多数物理学家相信,一定有更多的宇宙成分尚未被发现,而研究被称为美夸克(beauty quark)的各种基本粒子是一种特别有希望以获得可能存在的其他东西的暗示的的方式。

美夸克有时也被称为底夸克,是基本粒子,反过来构成更大的粒子。夸克有六种类型:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、美/底夸克和真/顶夸克。像上夸克和下夸克构成了原子核中的质子和中子。


美夸克是不稳定的,在衰变成其他粒子之前平均只活了大约1.5万亿分之一秒。美夸克的衰变方式会受到其他基本粒子或力量存在的强烈影响。当美夸克衰变时,它通过弱力的影响转化为一组较轻的粒子如电子。一种新的自然力可能让我们知道自己的方式之一是通过巧妙地改变美夸克衰变为不同类型粒子的频率。

据悉,3月的论文基于来自LHCb实验的数据,LHCb是四个巨型粒子探测器之一,其记录了LHC产生的超高能碰撞的结果。数据发现美夸克以不同的速度衰变为电子和它们更重的表亲,即μ介子。这确实令人惊讶,因为根据标准模型,μ介子基本上是电子的一个碳复制品--除了重约200倍之外,其他方面都是一样的。这意味着所有的力对电子和μ介子的拉扯力度应该是一样的--当一个美丽质夸克通过弱力衰变成电子或μ介子时它应该同样频繁地这样做。

相反,研究人员发现,μ介子衰变的频率只有电子衰变的85%左右。假设这个结果是正确的,那么解释这种效应的唯一方法是,一些以不同方式拉动电子和μ介子的新自然力正在干扰美夸克的衰变方式。

这一结果在粒子物理学家中引起了巨大的兴奋。几十年来,我们一直在寻找标准模型之外的东西的迹象,尽管在大型强子对撞机上工作了十年,但到目前为止还没有发现任何结论性的东西。因此,发现一种新的自然力量无疑是一个巨大的交易并可能最终打开回答现代科学所面临的一些最深奥的谜题的大门。

新结果

虽然结果是诱人的,但它并不是决定性的。所有的测量都有一定程度的不确定性或“误差”。在这种情况下,只有约千分之一的机会,结果是由随机的统计波动造成的--或者我们在粒子物理学术语中所说的“三西格玛”。

一千分之一可能听起来不多,但我们在粒子物理学中进行了大量的测量,因此你可能期望一小部分会因为随机的机会而出现异常值。为了真正确定效果是真实的,需要达到五西格玛--相当于不到百万分之一的可能性,即效果是由残酷的统计侥幸造成的。

为了达到这个目标,需要减少误差的大小,而要做到这一点需要更多的数据。实现这一目标的方法之一就是简单地让实验运行更长时间并记录更多的衰变。LHCb实验目前正在进行升级以便将来能够以更高的速率记录碰撞,这将使科研人员能够进行更精确的测量。但也可以通过寻找更难发现的类似类型的衰变,从已经记录的数据中获得有用的信息。

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