LHCb實驗引發新思考 或有神秘力量影響美夸克的粒子衰變

2020 年 3 月,歐洲核子研究中心(CERN)披露了可能存在打破標準模型的新式基本粒子和力。現在,劍橋卡文迪許實驗室的物理學家們,通過進一步測量發現了類似的影響,或為物理學的新理論發展提供支撐。Harry Cliff 指出:“事實上,我們已經看到了相同的效果,着無疑增加了我們正處於發現新事物的邊緣的幾率”。

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完全重建的 LHCb 事件,介子等粒子被以不同顏色顯示。(來自:CERN)

據悉,標準模型描述了構成宇宙的所有已知粒子、以及它們之間的相互作用力。儘管科學家們已儘力開展所有實驗,但物理學家深知當前理論不見得完備。

比如無法解釋引力和大爆炸期間的物質時如何產生的,並且沒有粒子能夠解釋為何暗物質是可觀測宇宙的五倍。

長期以來,物理學家一直在努力找尋超出標準模型的物理現象,而 LHCb 事件有望揭開一小部分謎團。

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位於 LHC-IP 8 的 LHCb 實驗洞穴(圖自:CERN)

SCI Tech Daily 指出,找尋新粒子和作用力的最佳方法之一,就是對被稱作美夸克的粒子展開深入研究。

由於壽命短得讓人難以置信(平均僅存在萬億分之一秒),它很容易在被觀察到之前就轉化或衰變成其它粒子。

好消息是,歐洲核子研究中心的巨型加速器 —— 大型強子對撞機(LHC)—— 每年都會產生數十億個美夸克,並由專門建造的 LHCb 探測器來記錄。

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研究配圖 – 1:匹配模型的質量分佈(arXiv.org)

此外需要指出的是,美夸克的衰變方式,會受到未被發現的力或粒子的存在影響。

3 月份的時候,LHCb 的另一隊物理學家發布的結果表明,美夸克衰變為介子的頻率、低於它們較輕的表親電子。

這點在標準模型中無法得到解釋,因其對電子和 μ 子一視同仁。拋開電子的重量僅為 μ 子 1/200 這個事實,研究人員認為美夸克應該以相等的速率衰變成介子和電子。

然而 LHCb 的物理學家們發現,μ 子衰變的發生頻率,僅為電子衰變的 85% 左右。

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研究配圖 – 2:另一匹配模型的質量分佈(PDF)

鑒於 LHCb 結果與標準模型之間存在大約三個單位的實驗誤差(粒子物理學表述為 3 sigma),意味其可歸咎於“統計僥倖”的可能性僅為千分之一左右。

假設結果是正確的,最有可能的解釋是 —— 一種新力牽引着不同強度的電子和介子,且其正在干擾這些美夸克的衰變方式。

但要證實這一點,仍需藉助更多數據來進一步減少實驗誤差。只有當結果達到 5 sigma 的閾值時 —— 即隨機引發的可能性低於百萬分之一時,它才會被粒子物理學家們所正視。