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數物理學家相信 一定有更多的規律尚未被發現
2021-10-26 10:27:28 來源:煎蛋網 編輯:

大型強子對撞機(LHC)在今年3月份點燃了全世界物理學家的期待,因為粒子物理學家報告了誘人證據--可能發現了新的自然力。

現在,來自歐洲核子研究中心巨大的粒子對撞機的新結果,尚未經過同行評審,似乎提供了進一步的支持。

我們目前關于粒子和力的最佳理論被稱為標準模型,它準確無誤地描述了我們所知的物質的一切。

標準模型無疑是有史以來最成功的科學理論,但同時我們也知道它必須是不完整的。

最著名的是,它只描述了四種基本力中的三種--電磁力和強、弱力,而不包括引力。它沒有解釋天文學告訴我們的主導宇宙的暗物質,也不能解釋物質如何在大爆炸時期的存在。

因此,大多數物理學家相信,一定有更多的規律尚未被發現。

美夸克,有時也被稱為底夸克,是基本粒子,可以構成更大的粒子。有6種類型的夸克,被稱為上、下、奇、粲、美/底和真/頂。例如,上夸克和下夸克構成了原子核中的質子和中子。

美夸克是不穩定的,在衰變成其他粒子之前,平均僅生存約1.5萬億分之一秒。美夸克的衰變方式會受到其他基本粒子或力的強烈影響。

當美夸克衰變時,它通過弱力的影響轉化為一組較輕的粒子,如電子。揭示一種新的自然力的方式之一,就是觀察美夸克衰變為不同類型粒子的頻率。

3月的論文基于來自LHCb實驗的數據,LHCb是四個巨型粒子探測器之一,記錄了LHC產生的超高能碰撞的結果。(LHCb中的 "b "代表著 "美")。)

它發現美夸克正以不同的速度衰變為電子和它們更重的表親--μ介子。這確實令人驚訝,因為根據標準模型,μ介子基本上是電子的一個復制品--除了重約200倍之外,其他方面都是一樣的。

這意味著所有的力對電子和μ介子的拉扯力度應該是一樣的。

但現實則相反,我的同事發現,μ介子衰變的頻率只有電子衰變的85%左右。假設這個結果是正確的,解釋這種效應的唯一方法是,如果某種以不同方式拉動電子和μ介子的新自然力正在干擾美夸克的衰變。

這一結果在粒子物理學家中引發了巨大的熱情。幾十年來,我們一直在尋找標準模型之外的跡象,盡管在大型強子對撞機上工作了十年,但到目前為止還沒有發現任何結論性的東西。

因此,發現一種新的自然力量將是一個巨大的契機,可能最終打開一些最深奧的謎團的大門。

雖然結果是誘人的,但它并不是決定性的。所有的測量都有一定程度的不確定性或 "誤差"。在這種情況下,只有大約千分之一——--或者我們在粒子物理學術語中所說的 "三西格瑪"——的可能性,即結果是由隨機的統計波動造成的。

一千分之一可能聽起來不多,但我們在粒子物理學中進行了大量的測量,因此可以期望一小部分數據因隨機而出現異常值。

為了真正確定結論是真實的,我們需要達到五西格瑪--相當于巧合的幾率不到百萬分之一的可能性。

為了達到這個目標,我們需要減少誤差的大小,而要做到這一點,我們需要更多的數據。實現這一目標的方法之一是簡單地讓實驗運行更長時間,并記錄更多的衰變。

這就是我和我的同事所做的。嚴格地說,我們實際上從未直接研究過美夸克衰變,因為所有的夸克總是與其他夸克結合在一起,形成更大的粒子。

3月的研究著眼于與 與上夸克配對的美夸克。最新結果研究了兩種衰變:一種是與 下夸克配對的美夸克,另一種是與上夸克配對。

不過,配對并不重要--發生在深處的衰變是相同的,因此我們期望看到相同的效果,如果那里真的有一種新力。

而這正是我們所看到的。這一次,μ介子衰變的發生率只有電子衰變的70%左右,但誤差較大,這意味著該結果與標準模型相差大約 "兩個西格瑪"(大約有百分之二的機會是統計上的異常)。

這意味著,雖然這個結果本身還不夠精確,不足以宣稱有新力的確切證據,但它確實與之前的結果非常接近,并為我們可能處于一個重大突破的邊緣的想法增加了進一步的支持證據。

當然,我們應該謹慎行事。我們能夠在一定程度上肯定地宣稱真的看到了第五種自然力的之前,還有一些路要走。

我的同事們目前正在努力從現有的數據中擠出盡可能多的信息,同時忙于為升級后的LHCb實驗的首次運行做準備。

與此同時,LHC的其他實驗以及日本的Belle 2實驗也正在接近。想到在接下來的幾個月或幾年里,可能會為我們宇宙的最基本結構打開一扇新的窗口,這真是令人激動。

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