@ 2021.10.22 , 11:45

物理学又站在了重大突破的边缘?第五种基本力的证据增加了

大型强子对撞机(LHC)在今年3月份点燃了全世界物理学家的期待,因为粒子物理学家报告了诱人证据--可能发现了新的自然力。

现在,来自欧洲核子研究中心巨大的粒子对撞机的新结果,尚未经过同行评审,似乎提供了进一步的支持。

我们目前关于粒子和力的最佳理论被称为标准模型,它准确无误地描述了我们所知的物质的一切。

标准模型无疑是有史以来最成功的科学理论,但同时我们也知道它必须是不完整的。

最著名的是,它只描述了四种基本力中的三种--电磁力和强、弱力,而不包括引力。它没有解释天文学告诉我们的主导宇宙的暗物质,也不能解释物质如何在大爆炸时期的存在。

因此,大多数物理学家相信,一定有更多的规律尚未被发现。

美夸克,有时也被称为底夸克,是基本粒子,可以构成更大的粒子。有6种类型的夸克,被称为上、下、奇、粲、美/底和真/顶。例如,上夸克和下夸克构成了原子核中的质子和中子。

美夸克是不稳定的,在衰变成其他粒子之前,平均仅生存约1.5万亿分之一秒。美夸克的衰变方式会受到其他基本粒子或力的强烈影响。

当美夸克衰变时,它通过弱力的影响转化为一组较轻的粒子,如电子。揭示一种新的自然力的方式之一,就是观察美夸克衰变为不同类型粒子的频率。

3月的论文基于来自LHCb实验的数据,LHCb是四个巨型粒子探测器之一,记录了LHC产生的超高能碰撞的结果。(LHCb中的 "b "代表着 "美")。)

它发现美夸克正以不同的速度衰变为电子和它们更重的表亲--μ介子。这确实令人惊讶,因为根据标准模型,μ介子基本上是电子的一个复制品--除了重约200倍之外,其他方面都是一样的。

这意味着所有的力对电子和μ介子的拉扯力度应该是一样的。

但现实则相反,我的同事发现,μ介子衰变的频率只有电子衰变的85%左右。假设这个结果是正确的,解释这种效应的唯一方法是,如果某种以不同方式拉动电子和μ介子的新自然力正在干扰美夸克的衰变。

这一结果在粒子物理学家中引发了巨大的热情。几十年来,我们一直在寻找标准模型之外的迹象,尽管在大型强子对撞机上工作了十年,但到目前为止还没有发现任何结论性的东西。

因此,发现一种新的自然力量将是一个巨大的契机,可能最终打开一些最深奥的谜团的大门。

虽然结果是诱人的,但它并不是决定性的。所有的测量都有一定程度的不确定性或 "误差"。在这种情况下,只有大约千分之一——--或者我们在粒子物理学术语中所说的 "三西格玛"——的可能性,即结果是由随机的统计波动造成的。

一千分之一可能听起来不多,但我们在粒子物理学中进行了大量的测量,因此可以期望一小部分数据因随机而出现异常值。

为了真正确定结论是真实的,我们需要达到五西格玛--相当于巧合的几率不到百万分之一的可能性。

为了达到这个目标,我们需要减少误差的大小,而要做到这一点,我们需要更多的数据。实现这一目标的方法之一是简单地让实验运行更长时间,并记录更多的衰变。

这就是我和我的同事所做的。严格地说,我们实际上从未直接研究过美夸克衰变,因为所有的夸克总是与其他夸克结合在一起,形成更大的粒子。

3月的研究着眼于与 与上夸克配对的美夸克。最新结果研究了两种衰变:一种是与 下夸克配对的美夸克,另一种是与上夸克配对。

不过,配对并不重要--发生在深处的衰变是相同的,因此我们期望看到相同的效果,如果那里真的有一种新力。

而这正是我们所看到的。这一次,μ介子衰变的发生率只有电子衰变的70%左右,但误差较大,这意味着该结果与标准模型相差大约 "两个西格玛"(大约有百分之二的机会是统计上的异常)。

这意味着,虽然这个结果本身还不够精确,不足以宣称有新力的确切证据,但它确实与之前的结果非常接近,并为我们可能处于一个重大突破的边缘的想法增加了进一步的支持证据。

当然,我们应该谨慎行事。我们能够在一定程度上肯定地宣称真的看到了第五种自然力的之前,还有一些路要走。

我的同事们目前正在努力从现有的数据中挤出尽可能多的信息,同时忙于为升级后的LHCb实验的首次运行做准备。

与此同时,LHC的其他实验以及日本的Belle 2实验也正在接近。想到在接下来的几个月或几年里,可能会为我们宇宙的最基本结构打开一扇新的窗口,这真是令人激动。

https://www.sciencealert.com/physicists-may-have-discovered-new-force-of-nature-in-lhc-experiment


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