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違反定律的粒子可能指向宇宙中一個未知的力

違反定律的粒子可能指向宇宙中一個未知的力

幾十年來物理學家們一直在尋找粒子「行為不端」的跡象,粒子物理學的主要理論"標準模型" 中細微裂痕的證據!這是描述我們宇宙最基本的組成部分的主導理論,儘管標準模型已經被證明是驚人的準確,科學家們早就認識到需要進行一些調整。現在最近一篇《自然》文獻的評論文章中,研究人員在實驗已經開始看到粒子對標準模型理論定律的「蔑視」行為,但它們並不完全是理論家們所尋找期待的。

LHCb實驗中碰撞的兩個質子。圖片版權:(瑞士)歐洲核子研究中心

證據來自於電子和更大規模的表親μ介子和τ輕子,根據標準模型這三個粒子應該表現出不同大小但相同的三胞胎。但是三個實驗產生了越來越多的證據,包括最近幾個月公布的結果,這些粒子對一些神秘的影響有不同的反應。這一發現還沒有定論,但如果他們堅持下去,「這將是一場徹底的革命」,加州理工大學的理論家Mark Wise說。

誘人的跡象

標準模型中的搖晃將是巨大的。這一理論已是躍然紙上,在第二十世紀末形成的粒子物理研究的基石。它將宇宙雕刻成由十二種基本粒子構成所有物質,再加上傳遞自然基本力的「載力」粒子。(例如,粒子產生電力和磁力的瞬態光子交換。)儘管它的成功,但是,標準模型的預測不可能解釋引力和暗物質認為無形的居住空間。與這些大尺度觀測和粒子物理,理論界提出了各種各樣的「新物理學」的物質或力量超越標準模型的動物園。但是大多數實驗都以驚人的保真度堅持這一理論,沒有發現任何假想粒子或力的證據。

標準模型中的粒子(圖片Scientific American)

自2012以來儘管粒子行為的跡象已經開始探索新的標準模型:稱為「輕子普適性」。這裡的「輕子」是指粒子包括電子類、μ介子和τ。標準模型預測這三種粒子應與彼此另一個和其他粒子一樣,除了由於它們獨特的質量而引起的差異,這種行為的共同性,佔了輕子普遍性的第二名。

在SLAC國家加速器實驗室門洛帕克驚喜的出現第一個輕子,並於在2012年共布該實驗結果,加利福尼亞巴巴爾的粒子加速器撞在一起的電子和它們的反物質當量,俗稱正電子。這些碰撞產生了許多重而不穩定的複合粒子:它們的作用就像放射性鈾原子,在衰變成更小和更小的粒子之前只維持納秒級的分數。最終產物加速器的探測器中碰撞,使科學家們能夠重建粒子衰變鏈。如果標準模型是正確的,這兩個類型的衰減進行BaBar團隊應該生產或只是25 30%經常為電子,它們重量輕,因此更容易。但這不是什麼團隊都能看到。輕子遠比他們應該更常見,暗示不同的輕子和電子之間的差異或超出它們質量的差異。

BaBar的結果剛剛開始,另外兩項實驗,瑞士大型強子對撞機的LHCb實驗和日本的高能量加速器研究組織的Belle實驗研究了同樣的衰退,並在2015年發表了類似的結果。像BaBar這樣的Belle碰撞電子和正電子。但是LHCb與其他質子以更高的能量碰撞質子,並採用不同的方法來檢測碰撞產物。這些差異使得人們更難把實驗結果作為實驗錯誤來消除,從而增強了這種反常現象的真實性。

模擬顯示在大型強子對撞機的兩個質子碰撞中希格斯玻色子的產生。圖片版權:Lucas Taylor / CMS

此外LHCb還發現在另一種類型的輕子產生衰減發現輕子普適性的跡象,幾個月前宣布了可能的第四種衰變類型的偏差。就在上個月在相關的衰變中報道了電子和μ子之間的類似差異(而不是輕子)。所有這些匯合的證據線條越來越引人注目,一些事情是有系統的腥味。BaBar發言人和維多利亞大學教授邁克爾·羅尼(Michael Roney)說:如果偏差變得真實,它們不相關是一種奇怪的事。

如果是真的將是一場革命

如果各種輕子真的不一樣,唯一的解釋就是一些先前未知的力。標準模型下較大的粒子衰變為輕子(和粒子)通過「弱「力,使放射性衰變的力。但弱力同樣對待所有輕子。如果更多的輕子出來比弱力產生,那麼一些未知的力,未被發現的載體微粒有關,打破大粒子是有利於觀察一種方式。馬里蘭大學學院公園物理學家和LHCb合作成員Hassan Jawahery說:找到這樣的力將與發現電磁學一樣重要,儘管對我們的日常生活的影響要小得多,實際上它確實構成了物理革命的篇章。

因為影響會如此戲劇性,物理學家將需求壓倒性的證據!實驗者們都知道這樣的負擔。自然的審查和在NIKHEF阿姆斯特丹國家原子物理研究所博士后研究員Greg Ciezarek說:輕子普適性違反定律,將是在領土上作出非凡的索賠,正如諺語所述需要非凡的證據。羅妮總結了這種懷疑:你不應該對標準模型下賭注。

來自大型強子對撞機的LHCb實驗的顯示顯示了顆粒的路徑,例如在加速器處碰撞兩個質子時產生的光子。圖片版權:CERN / LHCb

迄今為止的證據並不實質,結合所有數據 輕子 /電子偏差只是統計的偶然,概率現在在10,000左右,對於任何日常問題這將是足夠的。但粒子物理學家是一個持懷疑態度的人,只有達350萬社會才會考慮到發現。

鑒於輕的普遍性來自於理論家對標準模型中的裂縫可能出現的地方的期望, 證據更難下咽。理論家說是一種故事線,智者說這不是故事線。更糟糕的是對輕子行為的解釋似乎是特別的和不令人滿意的。利蓋蒂說這種能適應...真的不做別的事,例如它們沒有讓你更接近了解暗物質可能是什麼。

不過他補充說:自然告訴我們大自然是如何運作的。物理學家越來越注意行為異常粒子的持續存在,並提出新的理論解釋。實驗家和理論家都還希望減少現有測量的不確定性。最終最大的揭示會在LHCb和Belle的下一個版本產生更多的數據時。

該圖說明了大型強子對撞機內的兩個質子的碰撞產生了其它粒子。包括衰減成兩個子(紫色)的B_s介子(藍色)。圖片版權:LHCb

物理學家樂觀地認為五年內我們不僅能知道效果是否是真實的,我們會有一種解釋,有一個新(力)載體粒子。對於一些理論家來說,可測試性是一個很大的吸引力。這使得它真正令人興奮的,因為如果我做的東西,它可以被證明是正確的或錯誤的,Ligeti說不管怎樣,情況會變得明朗起來。

原作者:Jesse Dunietz

編譯:光量子,審校:博科園

本文為作者原創,未經授權不得轉載

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