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一个备受期待的新物理学迹象,消失了

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发表于 2023-1-7 23:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
一个备受期待的新物理学迹象,消失了[color=var(--weui-FG-2)]

[color=var(--weui-FG-2)]Takeko
原理 [color=var(--weui-FG-2)]2023-01-07 04:30
[color=var(--weui-FG-2)]Posted on 浙江
[color=var(--weui-FG-2)]


                               
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无论在哪一个科学领域,最伟大的探索或许就是追求超越我们已有的认知,找到比现有的更基本、更真实的对现实的描述。

在粒子物理学中,这样的理论被称作标准模型,它完整描述了已知存在的粒子和它们的相互作用。有趣的是,几乎不会有物理学家否认标准模型是有史以来最成功的理论,但同时,也没有人认为它是一种完备的理论,一些科学家甚至相信,有朝一日它会被一种更全面的基本理论所取代。

为了找寻超越标准模型的新物理,科学家所做的很大一部分工作可以这么概括:他们创造出更重、更不稳定的粒子,观察它们的衰变,并将这些观察结果与标准模型的预测进行比较。

的确,人们似乎隐约发现了某些裂痕,透出了一丝新物理的曙光。但近日,LHCb(大型强子对撞机底夸克实验)的最新结果,或许让一些物理学家原本燃起的一丝希望再次破灭了。


                               
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LHCb实验。(图/CERN)

LHCb合作组公开了对罕见粒子衰变的最新测量结果,这为粒子物理学标准模型的一个关键属性,也就是轻子味的普遍性,提供了迄今为止最高精度的检验之一。而标准模型再一次取得了惊人的胜利。目前,论文已上传至预印本网站arXiv。


  轻子味的普遍性  

在标准模型中,构成我们所知的物质的粒子通常被称为费米子,由夸克和轻子组成,它们各有三代,还有自身的反粒子。普通物质由第一代、最轻的粒子构成。


                               
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夸克和轻子都有三代,每一代的区别在于它们有着不同的质量。(图/原理)

而标准模型中一个核心性质被称为轻子味的普遍性。它说的是,基本力(如电磁力、弱力和强力)对一个轻子的影响无关于轻子所属的代

带电轻子和中微子,以及它们各自的反粒子,除了质量不同之外,彼此的行为应该都是一样的。例如,当一个大质量的Z玻色子衰变时,它衰变为电子-正电子对的概率,与衰变为μ子-反μ子或者τ子-反τ子对的概率是一样的。类似地,它衰变成所有三种味的中微子-反中微子对的概率也相同。

在这一部分中,实验和理论非常一致,标准模型很“安全”。

但进入21世纪,科学家开始看到一些新的证据。一些实验发现,当含有底夸克的带电和中性介子(B介子)衰变成一个带有奇夸克的介子(K介子)和一个带电轻子-反轻子对时,得到电子-正电子对(B → Ke⁺e⁻)的概率,与得到μ子-反μ子对(B → Kμ⁺μ⁻)的概率的差异,似乎远超过了它们质量差异所能解释的范畴。

这条来自实验粒子物理学的线索让许多人燃起了希望,或许我们已经偶然发现了违反标准模型预测的结果?如果这能被证实,它很有可能是来自新粒子或新的基本力的影响,引领我们超越已知的物理学


                               
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BaBar、Belle合作组以及前三次LHCb实验公布的数据显示了与理论预测之间的差异。(图/LHCb Collaboration)

对“味的异常”的研究兴趣在2021年3月达到了顶峰。当时,LHCb展示了比较了某些B介子衰变为μ子和电子的最新结果。它暗示B介子衰变为μ子的概率比预测的要低得多,两者的相对衰变率大约比标准模型预测的理论值低3.1σ。

但与此同时,团队这几年来也一直在尝试进行更为全面的新的分析。他们采用了LHC在第一轮和第二轮运行期间收集的全部数据集的改进和更广泛的分析,它首次同时考虑了两种不同的B介子衰变模式,并对可以模仿B介子衰变为电子的背景过程进行了更好的控制。此外,这两种衰变模式是在两个不同的质量区域测量的,因此产生了4种独立的衰变比较。

这些更精确、更全面的新结果,推翻了先前的比较,它们实际上与轻子味的普遍性原则所得到的理论预期非常一致。可以这么说,标准模型又一次经受住了严苛的考验


  搜索仍在继续  

当然,物理学家探索的脚步远没有结束。目前正在运行的LHC第三轮运行的升级版实验,将会收集更庞大的数据集,这将可以让研究人员对稀有粒子衰变进行更高精度的测试。

对科学家来说,现在说这种异常现象是不是真的存在,仍然很难下定论。它实际上告诉我们的是,还有很多未知的东西,无数未曾预料到的可能现象。
#创作团队:
撰文:Takeko
排版:雯雯
#参考来源:
https://home.cern/news/news/physics/lhcb-brings-leptons-line
https://cerncourier.com/a/lhcb-brings-leptons-into-line/
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04545-z
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/standard-model-survives/
#图片来源:
封面图&首图:Stockvault


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