@ 2017.04.21 , 11:00

大型强子对撞机出了新偏差,物理学家很兴奋

一系列奇怪的发现令理论物理学家对发现新粒子充满希望
作者: Davide Castelvecchi, 2017年4月20日刊于《自然》

大型强子对撞机出了新偏差,物理学家很兴奋
物理学家正在辩论来自LHCb*(如图所示)的数据究竟暗示着一种新粒子还是统计误差。Credit: CERN

* LHCb(英语:Large Hadron Collider beauty),或称大型强子对撞机底夸克实验,是LHC上的7个探测器之一,主要物理目标是测量在b强子(包含底夸克的重粒子)中的CP破坏和新物理。这样的研究可以帮助解释宇宙的物质-反物质不对称性。该探测器也能够履行在前面区域的生产截面和弱电物理学的测量。大约有来自60个科研机构840人,代表16个国家,形成建造和操作探测器的合作
——译者注,来自维基百科

物理学家期待着,大型强子对撞机(LHC)五年之久的数据中出现的一系列的误差或许指向一种全新的基本粒子。

位于日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室——欧洲核子研究中心(CERN)4月18日研讨会上报告的最新发现或许将随着对新数据的分析而被证明为统计波动从而淡出视野。但这很有趣,因为这与此前的发现的奇怪之处相吻合。这也与一些理论物理学家基于早期报告而的提出的新物理的预测相符。

来自英国伯明翰大学的西蒙·比法尼(Simone Bifani)在CERN研讨会上告知物理学家,由LHC撞击质子时所产生的被称为B介子第特殊短寿命粒子似乎以出乎意料的方式衰变。

粒子物理标准模型预测,成对的物质 - 反物质粒子应在B介子的衰变产物中,而且尤其是正-反电子对和介子-反介子对的数量应大致相等。(μ子即电子的重型表亲)。但比法尼表示,研究者基于LHCb实验收集到的数据,观测到了更多的正-反电子对。

英国牛津大学的物理学家、LHCb的发言人盖·威尔金森表示,这可能仅仅是统计上的疏漏。在最新的研究中,研究者们分别查看了两组LHCb有关B介子衰变实验的数据,而且在每组数据中都发现了一项低于2.5σ (标准差)的统计误差。这比通常可被称为一项“发现”所要求的5σ还有不小的差距。

但威尔金森指出,LHCb 已经发现了与介子衰变、尤其是与不同类型的B介子相关的诸多的相似误差。这虽然还不具备统计学意义,但都指向了同一个方向。他表示:“近5年来一直在发生着奇怪的事情。”

一些LHC 的物理学家并不十分确定该公告值得其研究人员收获的激动心情。 比如CERN 的物理学家安德烈·戴维(André David)在推特上表示“这里多1σ,那里也多1σ” 并不能弄出来一项发现。

短寿命的新粒子?

理论物理学家依然基于早期发现提出了不少新物理学说。而且一颗赛艇的是,最新的B介子衰变结果符合这些想法,来自德国慕尼黑工业大学的理论物理学家大卫·施特劳普(David Straub)这样说道。施特劳普Straub 昨天在arXiv网站上张发布了一篇分析最新的介子衰变结果的论文;另有五篇理论论文也已发布,而且之后会有更多。阿姆斯特丹自由大学的理论物理学家胡安·罗霍(Juan Rojo)表示:“大家正在密切关注这些结果。”

如果这些结果不是统计误差,那么解释这些结果最明显的方法就是当B介子衰变时,在物理学标准模型中未预测的新型粒子的短暂显现影响了衰变产物,那6篇论文都同意这个解释。一种可能性是,或许有一种比叫做Z玻色子的更重的粒子,被称为Z'。另一种解释是“轻夸克”的存在 ,它是一种兼具轻子与夸克的一些特性的玻色子。

这些粒子都不会出现在理论家最喜欢的扩展标准模式的构想中,但研究人员表示,如果这些粒子真实存在,LHC更大的实验——ATLAS和CMS**——应该能够直接创造它们,而不是观察它们对其他粒子衰变的影响。

**ATLAS和CMS
ATLAS——超环面仪器(英语:A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS),大型强子对撞器(LHC)所配备的七大实验探测器之一。此实验专门为观测涉及高质量粒子的现象而精心设计建造;使用先前较低能量的粒子加速器无法观测到这些现象。物理学者希望此实验能为在标准模型之后关于粒子物理学的新理论找到一些线索。

CMS——紧凑μ子线圈(CMS,Compact Muon Solenoid),CERN的大型强子对撞机计划的两大通用型粒子侦测器中的一个。通用型的侦测器,用来研究LHC加速器所提供的 14 TeV 质心能量下质子对撞的物理。

——译者注,来自维基百科

LHCb的最新分析完基于LHC的初次运行,该运行于2013年初期对撞机需为升级关闭而结束。自2015年对撞机为第二次运行重启以来,LHCb和其他实验 已经收集了更多数量可观的数据。几项针对B介子衰变的研究目前正在进行中。因此,这个谜团在今年年末之前或许能够解开。

威尔金森表示:“我们拥有足够的数据记录来支持或反驳这些效果,真相终将大白。”

本文译自 scientificamerican,由译者 HW 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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