重磅丨全球最大粒子对撞机发现B介子填补微观世

作者:高中教育

  标准模型作为一个行之有效的理论,主导了近几十年来粒子物理的发展。然而,粒子物理学家一直渴望发现存在于标准模型以外的新物理现象。近日,他们终于在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)中发现了新的粒子可能存在的证据。

  作为世界上最大的粒子加速器,坐落于瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机隶属于欧洲核子中心(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire,CERN)。大型强子对撞机通过加速质子到一个极高的能量后产生碰撞,得到新的粒子,再采用两个大型探测器,ATLAS和CMS,对新的粒子进行检测。

  除了两个大型探测器外,还存在一个小型探测器,LHCb。其功能是精确探测一类相似的粒子,包括这次发现的B介子的衰变过程。2012年在科学家们曾利用其大型探测器发现了希格斯玻色子,完善了标准模型的最后一片拼图,自此之后,再没有新的粒子被发现过。

  此次所发现的最新信号包含了B介子衰变的偏差信息。尽管仅有这一证据还不能够支撑结论,但结合其他证据后,这一新发现可能预示着高能领域中的一个新的粒子的存在。来自巴塞罗那的理论物理学家Matias表示:“观测到的B介子的衰减出现相干偏差的这组数据在过去的实验中从未出现过。而对这一现象最好的解释就是有一种新的粒子存在。”Matias认为,新粒子存在的证据已足够充足,但其他同行认为新理论还有待检验。

  B介子由基础粒子——夸克组成。近似的质子和中子由两种夸克组成,上夸克和下夸克,三个束缚在一起。在高能粒子碰撞中,这些夸克与其对应的反物质夸克一起,可以生成更重的夸克—、奇夸克、顶夸克和底夸克。这些重夸克与其反夸克结合生成介子。

  B介子千分之一纳秒的寿命使得观测新物理现象成为可能。根据量子力学不确定性原理,B介子的内部受到飞进飞出的粒子影响,导致其衰变受到影响。即使是那些大型强子对撞机所无法产生的新的大粒子,当其与B介子内部结构作用时,也会影响B介子衰变速率和细节偏离于标准模型的预测。

  该方法作为一种间接发现新粒子的方法,经实验检测是行之有效的。早在上世纪70年代,在仅有上夸克、下夸克和奇夸克被知道的情况下,物理学家通过发现K介子衰减的其特性预测了粲夸克的存在。其中,K介子是一类包含有一个奇夸克束缚于反夸克的介子的总称。

  在当天的CERN的一次讨论中,LHCb的物理学家声称,从他们最新的实验成果中发现,当一种B介子衰变为一个K介子时,这个过程产生的副产品的几率具有明显的非均匀性,即衰变过程产生μ子(与电子类似)和反μ子的几率要小于产生电子和正电子的几率。然而,根据标准模型的预测,两几率应是相同的。LHCb团队的发言人,牛津大学物理学家Guy Wilkinson表示,“这个测量结果非常有意义,因为在理论上来说,两个几率应是严格相同的。”

  这项测量结果仅是LHCb物理学家所发现6个证据的其中之一。虽然这些证据都很微弱,但它们较为一致。比如,早在2013年时,物理学家发现,粒子在B介子衰变过程中出射的角度与理论预测不也是严格相符的。

  然而,这些反常现象指向的具体模型则不那么确定。在标准模型中,B介子衰变到K介子的过程是一个“环形”过程,即底夸克反转为顶夸克然后变为奇夸克。在这个过程中,需要释放然后再吸收一个W玻色子。W玻色子又可被称为“作用力粒子”,它可传递弱相互作用。

  新的数据显示,底夸克可能直接渐变为奇夸克,并放出一个新的粒子,Z9玻色子。然而,这一过程是在标准模型中是禁止发生的。Z9玻色子,这一假设中的Z玻色子家族的新成员,将会是标准模型以外第一个新粒子,并将在现有的理论中增添一种新的力。这一额外的衰变过程可以降低衰变过程中μ子的数量,进而解释这一异常现象。

  “虽然这像是一种临时理论,但却可以很好的对数据进行拟合。”来自俄亥俄州的理论物理学家Wolfgang Altmannshofer说到。还有物理学家提出另一种新物质,轻子夸克。即“环形”过程中产生了轻子夸克,也可解释这一异常现象。

  当然,这一新的物理发现也可能是实验数据波动的幻觉。ALTLAS和CMS的物理学家在18个月前就曾报道,新型重粒子的证据随着观测数据量的增加而消失。而Altmannshofer表示,目前这些证据的可信度与前的那些证据的可信度类似,他们也可能面临相同的情况。

  物理学家使用LHCb搜寻到新粒子的证据无疑是强调了LHC没能实现其发现新粒子的本职工作。“ATLAS 和CMS是被设计用来发现新粒子的探测器,而LHCb则应更多的起到补充的作用,” Matias说到,“但事实就是事实。”

  如果Z9玻色子或是轻子夸克存在,那么LHC将有机会将其对撞出来,尽管它们的寿命可能非常短暂。LHC目前正在进行冬日关闭后的恢复工作。下个月,这些新粒子探测器将就位。

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