LHCb实验引发新思考 或有神秘力量影响美夸克的粒子衰变

2020 年 3 月,欧洲核子研究中心(CERN)披露了可能存在打破标准模型的新式基本粒子和力。现在,剑桥卡文迪许实验室的物理学家们,通过进一步测量发现了类似的影响,或为物理学的新理论发展提供支撑。Harry Cliff 指出:“事实上,我们已经看到了相同的效果,着无疑增加了我们正处于发现新事物的边缘的几率”。

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完全重建的 LHCb 事件,介子等粒子被以不同颜色显示。(来自:CERN)

据悉,标准模型描述了构成宇宙的所有已知粒子、以及它们之间的相互作用力。尽管科学家们已尽力开展所有实验,但物理学家深知当前理论不见得完备。

比如无法解释引力和大爆炸期间的物质时如何产生的,并且没有粒子能够解释为何暗物质是可观测宇宙的五倍。

长期以来,物理学家一直在努力找寻超出标准模型的物理现象,而 LHCb 事件有望揭开一小部分谜团。

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位于 LHC-IP 8 的 LHCb 实验洞穴(图自:CERN)

SCI Tech Daily 指出,找寻新粒子和作用力的最佳方法之一,就是对被称作美夸克的粒子展开深入研究。

由于寿命短得让人难以置信(平均仅存在万亿分之一秒),它很容易在被观察到之前就转化或衰变成其它粒子。

好消息是,欧洲核子研究中心的巨型加速器 —— 大型强子对撞机(LHC)—— 每年都会产生数十亿个美夸克,并由专门建造的 LHCb 探测器来记录。

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研究配图 - 1:匹配模型的质量分布(arXiv.org

此外需要指出的是,美夸克的衰变方式,会受到未被发现的力或粒子的存在影响。

3 月份的时候,LHCb 的另一队物理学家发布的结果表明,美夸克衰变为介子的频率、低于它们较轻的表亲电子。

这点在标准模型中无法得到解释,因其对电子和 μ 子一视同仁。抛开电子的重量仅为 μ 子 1/200 这个事实,研究人员认为美夸克应该以相等的速率衰变成介子和电子。

然而 LHCb 的物理学家们发现,μ 子衰变的发生频率,仅为电子衰变的 85% 左右。

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研究配图 - 2:另一匹配模型的质量分布(PDF

鉴于 LHCb 结果与标准模型之间存在大约三个单位的实验误差(粒子物理学表述为 3 sigma),意味其可归咎于“统计侥幸”的可能性仅为千分之一左右。

假设结果是正确的,最有可能的解释是 —— 一种新力牵引着不同强度的电子和介子,且其正在干扰这些美夸克的衰变方式。

但要证实这一点,仍需借助更多数据来进一步减少实验误差。只有当结果达到 5 sigma 的阈值时 —— 即随机引发的可能性低于百万分之一 —— 它才会被粒子物理学家们所正视。

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