CERN 確認(rèn)超稀有粒子變換,暗示新物理學(xué)
在歐洲核子研究組織 (CERN) 的粒子對(duì)撞機(jī)中,一個(gè)罕見(jiàn)的事件正在誘人地將我們帶到新物理學(xué)的邊緣。
從多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,所謂的NA62 實(shí)驗(yàn)中,英國(guó)伯明翰大學(xué)的粒子物理學(xué)家 Cristina Lazzeroni 和她的同事現(xiàn)在已經(jīng)建立、實(shí)驗(yàn)觀(guān)察并測(cè)量了帶電 kaon 粒子衰變成帶電 π 子和中微子-反中微子對(duì)的過(guò)程。研究人員在CERN 研討會(huì).
這是令人興奮的事情。十多年來(lái),該團(tuán)隊(duì)一直在不懈地追求這種非常特殊的衰減通道,因?yàn)樗撬^的“黃金”通道,這意味著它不僅非常罕見(jiàn),而且被構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)物理學(xué)。
這種稀有性和精度使其成為檢測(cè)新物理學(xué)的高靈敏度量規(guī)。然而,只有通過(guò)收集涵蓋無(wú)數(shù)粒子碰撞的大量數(shù)據(jù),該團(tuán)隊(duì)才能確認(rèn)他們的發(fā)現(xiàn)是準(zhǔn)確的,根據(jù)著名的 '五西格瑪' 統(tǒng)計(jì)確定性標(biāo)準(zhǔn)。
“這個(gè)困難的分析是出色團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果,我為這個(gè)新結(jié)果感到非常自豪,”Lazzeroni 說(shuō).
Kaons 由一個(gè)夸克和一個(gè)在強(qiáng)力下結(jié)合的不同夸克反粒子的組合組成,它們以物理學(xué)家描述為的相當(dāng)獨(dú)特的方式迅速衰變 '奇怪'.這個(gè)奇怪的特性使它們成為確定粒子通常應(yīng)該如何表現(xiàn)的規(guī)則的得手工具。
如果你有合適的設(shè)備,kaons 的生產(chǎn)并不是特別困難。使用 CERN 的超級(jí)質(zhì)子同步加速器,研究人員向靜止的鈹靶發(fā)射高能質(zhì)子束。這會(huì)產(chǎn)生每秒約 10 億個(gè)粒子的次級(jí)光束,其中約 6% 是一種帶電的 kaon。
Kaons 的壽命不長(zhǎng);它們?cè)趦|分之一秒內(nèi)形成和衰變。因此,在次級(jí)光束中,kaon 衰變不斷發(fā)生,通常會(huì)變成電子的超重表親,稱(chēng)為 μ 子,以及中微子.
然而,每 1000 億個(gè) kaon 衰變中約有 13 個(gè),結(jié)果是反中微子、中微子和由另一種夸克和反夸克組成的不穩(wěn)定粒子,稱(chēng)為 π。
“Kaons 和 pions 是含有夸克的粒子??淇擞胁煌念?lèi)型(上、下、奇異、迷人、美麗、頂部)這一事實(shí)被稱(chēng)為味道,“Lazzerino 告訴 ScienceAlert。
“這種衰變的罕見(jiàn)性與這樣一個(gè)事實(shí)有關(guān),即其中存在由 Z 介導(dǎo)的夸克風(fēng)味變化玻色子并產(chǎn)生一個(gè) pion 和中微子.這只能通過(guò)一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn),因此它很罕見(jiàn)。
觀(guān)察這個(gè)過(guò)程所需的 kaon 衰變量是天文數(shù)字,但這并不是所涉及挑戰(zhàn)的結(jié)束。眾所周知,中微子很難被發(fā)現(xiàn),并且?guī)缀鯐?huì)立即與它們的反中微子伙伴一起湮滅;對(duì)于 NA62 實(shí)驗(yàn),研究人員沒(méi)有嘗試檢測(cè)中微子和反中微子對(duì)。
只是帶電的 ?子,或“pi+”,就是針,在其他帶電的 kaon (K+) 衰變的大海撈針中。
“我們想要丟棄的所有其他 K+ 衰變都稱(chēng)為背景,并且具有可檢測(cè)的粒子。挑戰(zhàn)在于檢測(cè)都他們總是如此,因此當(dāng)我們看到 K+ 到 pi+ 而不是其他任何東西時(shí),我們確信我們沒(méi)有丟失任何東西,這真的是信號(hào),“Lazzerino 解釋說(shuō)。
這就是為什么當(dāng)團(tuán)隊(duì)宣布他們?cè)?2019 年取得的第一組成績(jī),他們并不完全處于他們所進(jìn)行檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)確定性的五西格瑪水平?,F(xiàn)在,他們已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)門(mén)檻。
現(xiàn)在衰減通道已經(jīng)建立,研究人員可以繼續(xù)尋找可能表明新物理場(chǎng)的任何偏差。該團(tuán)隊(duì)觀(guān)察到的 kaon 到 pion 和中微子/反中微子衰變的數(shù)量高于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的每 1000 億人中有 8.4 人,但它仍在不確定性參數(shù)范圍內(nèi)。
為了找到新的物理特性,需要觀(guān)察衰變次數(shù)的更大偏差。
“這標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)到目前為止,預(yù)測(cè)觀(guān)測(cè)結(jié)果已經(jīng)非常好了,但我們知道它肯定有缺點(diǎn)。就像它不包含暗物質(zhì),還有事情——反物質(zhì)不平衡對(duì)于代表宇宙所需要的東西來(lái)說(shuō),是太小的數(shù)量級(jí)了。通常,我們期望出現(xiàn)新的物理場(chǎng)。它到底是什么,我們不得而知。但一般來(lái)說(shuō),我們預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)新的粒子(和力),“Lazzeroni 說(shuō)。
“NA62 已經(jīng)積累了更多的數(shù)據(jù),并將持續(xù)三年。有了全部數(shù)據(jù),我們將能夠精確地確定它是否與標(biāo)準(zhǔn)模型一致。
多么令人興奮。
該團(tuán)隊(duì)在CERN 研討會(huì).
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