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粒子物理有望超越标准模型

2019-03-07 21:09:20

数十年来,粒子物理学家都渴望超越标准模型。尽管希格斯玻色子完成了标准模型的一块拼图,但科学家从未停止寻找标准模型以外的线索。现在,欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)有了新突破,疑似有新粒子产生。2012年,正是LHC发现了“上帝粒子”希格斯玻色子。

研究人员在实验中发现B介子的衰变过程与标准模型描述不符,结合此前发现的其他线索,科学家或许已经捕捉到了新粒子的身影。西班牙巴塞罗那自由大学理论家Joaquim Matias说,“此前我们从未观察到标准模型出现一系列相互关联的偏差,而这一系列偏差可以用一个非常简单的方式解释:存在一种新粒子。”Matias认为证据已经显示这是个大发现,其他同行却还持谨慎观望态度。

美国费米实验室宣布发现顶夸克后,证实了标准模型所预言的61种基本粒子中的60种。剩下的未被发现的粒子就是希格斯玻色子。终,CERN两个探测器ATLAS和CMS,分别独立发现了希格斯粒子。不过,这次发现新线索的是LHC一个规模较小的探测器,名叫LHCb(LHC底夸克探测器)。LHCb的任务是精确监测已知粒子,尤其是B介子的衰变过程。

B介子由夸克这种基本粒子构成。人们熟悉的质子和中子就是由夸克构成的。而高能粒子对撞还会产生一些更重的夸克:魅夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。这些夸克可以和反夸克一起组成介子。B介子就是由1个反底夸克和1个夸克组成。

虽然,B介子只会存在一万亿分之一秒,但科学家希望它的衰变过程能为窥见新物理世界打开一扇窗。多亏量子的不确定性,内部动荡能影响其衰变。如果在B介子衰变过程中有任何新粒子介入,衰变的速度和细节都会偏离标准模型的预测。

这就为人类提供了一种间接发现新粒子的方法。20世纪70年代,人们还只知道上夸克、下夸克和奇夸克,物理学家就是因为发现K介子(由1个奇夸克和1个反夸克组成的介子)的衰变过程有点奇怪,进而预测了魅夸克的存在。

近日,LHCb研究人员在CERN报告称,他们发现其中一种B介子衰变为K介子时,副产物和标准模型预测的有所偏差。根据标准模型,该衰变要么产生1个μ介子和1个反μ介子,要么产生1个电子和1个正电子,概率是均等的。但在实验中,他们发现概率分布并不均匀:前者发生的频率小于后者。英国牛津大学物理学家Guy Wilkinson代表LHCb组的770个成员说:“这个测量结果很重要,因为在理论上应该是非常均匀的。”

实际上,该结果只是LHCb发现的6个似乎一致的线索之一。早在2013年,他们就发现B介子衰变时产生的粒子偏离了标准模型预测的角度。

而所有这些异常现象并不确定。按照标准模型,在B介子衰变为K介子时,底夸克会先短暂地变成顶夸克,再变成奇夸克。在这个过程中,底夸克需要先释放和再重新吸收一个W玻色子(W玻色子是一种传递弱相互作用力的粒子)。

不过,实验数据表明,底夸克可能直接变成奇夸克—— 一个在标准模型中不可能发生的变化,而这种变化是通过放出一种标准模型以外的新粒子,即Z′玻色子实现的。

粒子物理有望超越标准模型

而这个假设的新粒子将是标准模型之外的粒子,并将为该理论添加新力量。

此外,这个额外的衰变过程会减少μ介子的形成,从而解释这种反常现象。“这听起来像是为解释而解释,但这种假设确实对应了实验数据。”辛辛那提大学理论学家Wolfgang Altmannshofer说。另一些科学家则假设存在一种夸克和电子的杂交体——轻子夸克,并提供了另一种方法解释这些偏差。

当然,这种偏差也可能是由实验数据的波动导致的幻觉。18个月前,ATLAS和CMS的研究人员就疑似找到了一种新粒子,发现他们只是缺乏足够的实验数据。Altmannshofer表示,当下的信号与之前的信号一样强劲。

但它们之间也存在不同。“ATLAS和CMS主要是发现新东西,而LHCb更多的是进行补充。”Matias说。

如果Z′玻色子或轻子夸克真的存在,LHC就可能通过对撞找到它们,即便它们存在的时间非常短。停工了一个冬天之后,LHC即将恢复工作。下个月,那些粒子探测器就将回归岗位。(张章编译)

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