地球与环境 2022-01-23 11:39

欧洲核子研究中心LHCb实验公布的结果,进一步揭示了我们目前的基础物理理论无法解释的现象。

2020年3月,同一实验公布了粒子打破标准模型(我们关于粒子和力的最佳理论)核心原则之一的证据,表明可能存在新的基本粒子和力。

现在,剑桥卡文迪什实验室的物理学家们进一步的测量发现了类似的效应,这为新物理学提供了有力的证据。

标准模型描述了构成宇宙的所有已知粒子以及它们相互作用的力。迄今为止,它已经通过了所有的实验测试,但物理学家们知道它肯定是不完整的。它不包括重力,也不能占在大爆炸物质是如何产生的,和不含粒子可以解释的神秘暗物质天文学告诉我们5倍比物质更丰富,周围可见的世界。

因此,物理学家们长期以来一直在寻找标准模型之外的物理现象,以帮助我们解决这些谜团。

寻找新粒子和力的最好方法之一是研究被称为美夸克的粒子。它们是构成每个原子原子核的上下夸克的异域表亲。

美夸克在这个世界上并不大量存在,因为它们的寿命非常短——在转化或衰变为其他粒子之前,平均只存在万亿分之一秒。然而,欧洲核子研究中心的巨型粒子加速器——大型强子对撞机每年产生数十亿个美夸克,由专门建造的LHCb探测器记录下来。

美夸克衰变的方式可能会受到尚未发现的力或粒子的存在的影响。今年3月,LHCb的一组物理学家公布了一些结果,证明美夸克衰变为介子的频率低于它们较轻的“兄弟”电子。这在标准模型中是不可能解释的,因为标准模型把电子和介子看成是一样的,除了电子大约比介子轻200倍这一事实。因此,美夸克应该以同样的速度衰变为μ子和电子。相反,LHCb的物理学家发现,介子衰变的发生频率仅为电子衰变的85%左右。

LHCb的结果和标准模型之间的差异大约是三个单位的实验误差,或者在粒子物理学中被称为“3 σ”。这意味着这个结果是由统计上的侥幸造成的概率只有千分之一左右。

假设结果是正确的,最有可能的解释是,一种新的力量以不同的强度吸引电子和介子,干扰了这些美丽的夸克衰变的方式。然而,要确定这种效应是否真实,还需要更多的数据来减少实验误差。只有当一个结果达到“5 σ”阈值,当它是由随机概率造成的概率小于百万分之一时,粒子物理学家才会开始认为它是一个真正的发现。

卡文迪什实验室的哈里·克利夫博士说:“事实上,我们的同事在3月份发现了同样的效应,这无疑增加了我们真正接近发现新东西的可能性。”“能进一步解开这个谜题真是太好了。”

今天的结果检测了两个新的美夸克衰变,它们和三月份的结果一样,属于同一系列的衰变。研究小组发现了相同的效应——介子衰变的发生频率仅为电子衰变的70%左右。这一次的误差更大,意味着偏差在“2 σ”左右,这意味着有超过2%的机会是由于数据的统计上的怪癖。虽然这一结果本身并不是结论性的,但它确实为越来越多的证据提供了进一步的支持,这些证据表明,有新的基本力量有待发现。

同样来自卡文迪什实验室的瓦尔·吉布森教授说:“随着LHCb探测器即将启动,进一步收集的数据将提供必要的统计数据,以证明或驳斥一个重大发现,大型强子对撞机的兴奋正在增长。”