您现在的位置:欧洲杯赛事大全 >> 科学前沿 >> 内容

第五种基本相互作用?新发现或挑战标准模型

时间:2021-03-26 22:48:00 点击:

  核心提示: 最新论文显示,在质子-质子对撞实验中,可能发现了违背标准模型预测的现象。 LHCb观测到底夸克很罕见的衰变,导致一对正负电子对的产生(图片来源:CERN) 2013年,欧洲核子研究中心(CE...

欧洲杯赛事大全 www.tekrardusun.com 最新论文显示,在质子-质子对撞实验中,可能发现了违背标准模型预测的现象。


image.png

LHCb观测到底夸克很罕见的衰变,导致一对正负电子对的产生(图片来源:CERN)


2013年,欧洲核子研究中心(CERN)宣布发现了希格斯玻色子,补上了标准模型缺失的最后一块拼图。至今,标准模型仍被认为是目前粒子物理学中最好的理论模型。但LHCb合作组织在预印本网站上公开的最新论文显示,他们在质子-质子对撞实验中,可能发现了违背标准模型预测的现象。目前,这些数据的可信度还不足以宣称是“可靠的发现”。但如果结论最终得到证实,就可能意味着存在标准模型之外的“新物理”。


编译|洪艺瑞 王昱

审校|吴非


标准模型是目前粒子物理学中最好的理论模型,它描述了所有已知的基本粒子,以及除引力之外的其他三种基本相互作用力。但物理学家从来没有将其视为不可触动的天条,而是在不断地修正和完善它。不过即便如此,依然存在很多标准模型难以解释的事物,暗物质、暗能量、宇宙早期物质与反物质的不平衡等都是如此。甚至,物理学家多年来还一直在主动寻找“新物理”——标准模型之外的粒子和基本相互作用力。


探索过程中,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)就是物理学家手上最重要的工具之一。这个巨型机器埋藏在50~125米深的地下,其27公里的环形轨道横跨了法国和瑞士。质子在超导磁铁包围的真空管道中,被加速到接近光速后相互对撞。而物理学家就在质子对撞后产生的“粒子尘?!敝?,不断寻找着可能存在的“新物理”。现在,在对近十年数据进行分析之后,科学家这次可能发现了标准模型预测之外的现象。


image.png

LHCb是LHC四个大型粒子探测器之一 图片来源:CERN


来自帝国理工学院物理系的米特舍·帕特尔(Mitesh Patel)博士是本次研究的负责人之一,他表示:“这项结果让我心跳加速!尽管现在还无法判断这是否只是标准模型的衍生物,但这仍然是我在物理学领域这20年来最令人兴奋的发现。为了这一结果,我们做了非常多的努力?!?/span>



普适性的缺失


根据标准模型的预测,不同的带电轻子,如电子、μ子、τ子,除依次递增的质量外,其他属性,如电荷、自旋以及电磁/弱力场的耦合系数等都应完全相同,这被称为轻子味普适性(lepton flavour universality,LFU)。以往实验表明,大部分粒子的衰变都符合LFU,但物理学家一直在寻找是否有违反LFU的现象。


通过LHC的质子-质子对撞实验,科学家有机会观测B介子的衰变。这个衰变底层反应实际上是底夸克(beauty quark)衰变为一个奇夸克(strange quark)和一对正负轻子对。对撞实验的质心能量分别为7、8和13 TeV,衰变能标在数个GeV量级左右,而电子和μ子的质量也不过0.5 MeV和105 MeV,在整个过程中显得无足轻重。由于μ子和电子的其他参数完全相同,那么根据LFU,衰变产生的一对正负轻子分别是μ子和电子的概率也应该几乎完全相同。


因为这个衰变本身只有百万分之一的发生概率,并且标准模型只允许这种衰变以特定的形式发生。只有不符合LFU的“新物理”才能对衰变过程产生标准模型之外的影响,或是彻底改变衰变的形式。不管怎样,一旦LFU被违反,那么用来描述μ子和电子产生率比例的RK会迅速偏离1。所以这个衰变是寻找反LFU现象的绝佳场所。


整个试验过程不过是极端物理过程一瞬,底夸克这种衰变发生的低概率也让探测离不开大量数据的积累,物理学家需要重型设备。大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)是LHC四台大型粒子探测器中的一台。验证LFU,或者说,寻找LFU的破绽,是它的使命之一。分析了2011、2012和2015-2018年的对撞数据之后,LHCb合作组织给出了RK=0.846,上下标准差分别为+0.044和-0.041的结论,这个偏离1的结论意味着LFU有可能被违背。


曼彻斯特大学的实验粒子物理学家,同时也是LHCb小组发言人的克里斯·帕克斯(Chris Parkes)教授表示:“我们原本以为B介子会以相同的可能性衰变为电子和μ子。但是以现在的数据来看,事实并非如此??悸堑娇赡艽嬖诘耐臣莆蟛?,目前还无法确定最终结论?!?/span>



改写教科书?


标准模型在过去的半个世纪内不断完善,它描述了所有已知的基本粒子,和除引力之外的其他三种基本相互作用力。但它当然也不是完美的理论框架,它无法解释目前物理学中依然存在的谜团。


image.png

标准模型(图片来源:Wikipedia)


迈克尔·麦卡恩(Michael McCann)是帝国理工学院团队中的一员,他表示:“我们知道,自然界中一定存在尚未被发现的新粒子,因为现在仍有很多无法被现有理论解释的谜团。例如,我们不知道(除正常物质外剩下的)95%的宇宙的构成,以及为什么物质与反物质的含量差距如此之大。我们也不知道未知粒子可能存在怎样的性质?!?/span>


帝国理工学院学生丹尼尔·莫伊兹(Daniel Moise)在会议上首次公布了该观测结果。他表示:“这个结果可能暗示一种全新粒子或全新作用力的存在。如果后续研究证实了这一点,那么这将深刻影响人类对自然界的理解?!蔽シ碙FU暗示着可能存在标准模型之外的新物理,例如存在于夸克和轻子之间的第五种基本相互作用。


如果这些结论是正确的,我们或许能用Z-primes或者轻夸克(leptoquarks)进行解释。Z-primes和轻夸克是两种假想的粒子,它们可以对其他粒子产生新的相互作用力。显然,不管是标准模型之外的基本粒子,还是第五种基本相互作用,都将是改写物理教科书的重要成果。



五个标准差的坚持


不过这一切都建立在底夸克衰变确实违反了LFU的基础之上,而目前科学家还不能下定这个结论。虽然给出的结论是RK=0.846,但它仍然拥有+0.044和-0.041的误差。也就是说,目前的实验的置信度只有3.1个标准差。距离物理学金标准——5个标准差还有一定距离,这也正是LHCb不敢宣布他们证实了LFU被违反的原因。


帕克斯表示:“这些数据的确非常有趣。但考虑到曾有置信度为7个标准差的数据最终被证实为统计学巧合,我们需要谨慎一些。实际上,这种事情经常发生?!?/span>


3.1个标准差意味着,如果实际上LFU并没有被违反,那么会有约千分之一的概率会产生RK=0.846的测量结果。这也意味着,约有千分之一的概率,LFU没有被违反。而到了5个标准差的情形,就只剩下350万分之一的概率。这5个标准差的置信度,是多年来粒子物理学家坚持的严谨的职业操守。


image.png

目前实验仅有3.1个标准差的置信度,不足以声称是一个可靠的发现(图片来源:arXiv:2103.11769)


其实早在2019年,已经寻找到了一部分违反LFU的证据,当时的置信度为2.5个标准差。而这次公开的研究成果,主要是数据上的更新,分析方法并没有很大的改变。帕克斯表示:“这将意味着我们发现了一些标准模型尚未定义的粒子或力。尽管以目前的数据来看,还无法作出最终结论,但是结合以往对B介子的分析结果来看,这很有可能是真的?!?/span>


目前,LHC和世界各地的科学家都将继续收集并分析数据,以确认事实的真相。


作者:不详 来源:网络
共有评论 0相关评论
发表我的评论
  • 大名:
  • 内容:
  • 宇宙探索网(欧洲杯赛事大全) © 2021 版权所有 All Rights Reserved.欧洲杯赛事大全
  • 免责声明:本站资料来自网络和网友分享,如有侵权请联系本站

    Email:wlcz_8@163.com 站长QQ:17893691

  • Powered by laoy! V4.0.6