LHC物理学家:粒子物理学的标准模型可能会被推翻

2022年05月16日 09:47 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

日前,来自兰卡斯特大学的Roger Jones刊文称:作为欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)的一名物理学家,最常被问到的一个问题是--“你们什么时候能找到什么?”我忍住诱惑并讽刺地回答--“除了获得诺贝尔奖的希格斯玻色子和一大堆新的复合粒子之外你还能找到什么?”

我意识到,这个问题之所以如此频繁地被提出来是因为我们是如何向更广泛的世界描述粒子物理学的进展的。

我们经常从发现新粒子的角度来谈论进展,而这经常是真实的。研究一个新的、非常重的粒子有助于我们看到潜在的物理过程--通常没有恼人的背景噪音。这使得我们很容易向公众和政治家解释这一发现的价值。

然而最近,对普通的、已经知道的、标准的粒子和过程的一系列精确测量有可能撼动物理学。而随着大型强子对撞机准备以比以往更高的能量和强度运行,现在则是时候开始广泛讨论其影响了。

事实上,粒子物理学一直以两种方式进行,新粒子是其中之一。另一种是通过进行非常精确的测量,从而检验理论的预测并寻找跟预期的偏差。

如爱因斯坦广义相对论的早期证据来自于发现恒星表面位置的微小偏差和水星在其轨道上的运动。

三个关键的发现

粒子遵从一种反直觉但非常成功的理论,即量子力学。这一理论表明,质量大到无法在实验室中直接碰撞的粒子仍可以影响其他粒子的行为。 然而,对这种影响的测量非常复杂,而且更难向公众解释。

但最近的结果暗示了标准模型以外的无法解释的新物理学是属于第二种类型。来自LHCb实验的详细研究发现,一种被称为美夸克的粒子(夸克构成了原子核中的质子和中子)“衰变”(解体)为电子的频率远远高于为μ子--电子更重,但在其他方面完全相同,是兄弟姐妹。根据标准模型,这种情况不应该发生--暗示新的粒子或甚至自然界的力量可能影响这一过程。

有趣的是,来自LHC的ATLAS实验对涉及“顶夸克”的类似过程的测量显示,这种衰变确实以相同的速度发生在电子和μ子身上。

与此同时,美国费米实验室的Muon g-2实验最近非常精确地研究了Muon在其“自旋”(一种量子属性)跟周围磁场相互作用时如何“摇摆”。它发现跟一些理论预测有微小但明显的偏差--再次表明可能有未知的力量或粒子在起作用。

最新的令人惊讶的结果是对一个被称为W玻色子的基本粒子的质量的测量,该粒子携带支配放射性衰变的弱核力。经过多年的数据采集和分析,同样在费米实验室进行的实验表明,它比理论预测的要重得多--其偏差量在超过一百万次的实验中不会偶然发生。同样,这可能是尚未发现的粒子在增加它的质量。

然而有意思的是,这跟来自大型强子对撞机的一些较低精度的测量结果也不一致。

判决结果

虽然我们并不绝对确定这些效应需要一个新的解释,但证据似乎越来越多地表明需要一些新的物理学。

当然,会有几乎和理论家一样多的新机制来解释这些观察。许多人将寻求各种形式的“超对称性”。这是一个想法,即标准模型中的基本粒子比我们想象的多一倍,每个粒子都有一个 “超级伙伴”。这些可能涉及额外的希格斯玻色子(跟赋予基本粒子质量的场有关)。

其他人将超越这一点,援引最近不太时髦的想法,如“技术色”,这将意味着存在额外的自然力(除了重力、电磁力及弱核和强核力)并可能意味着希格斯玻色子实际上是由其他粒子组成的复合物体。只有实验才能揭示事情的真相--这对实验者来说是个好消息。

同样,也可能是研究人员使用了微妙的不同解释,所以发现了不一致的结果。对比两个实验结果,需要仔细检查在两种情况下是否使用了相同的近似水平。

这两个例子都是“系统不确定性”的来源,虽然所有相关人员都在尽力量化它们,但可能会有不可预见的复杂情况从而低估或高估它们。

这些都不会使当前的结果变得不那么有意思或重要。这些结果说明的是,有多种途径可以更深入地理解新物理学,并且它们都需要被探索。

随LHC的重新启动,我们仍有可能通过更罕见的过程产生新粒子,或发现隐藏在我们尚未发掘的背景下的新粒子。

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