粒子物理有望超越标准模型
时间:2017-12-08

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  几十年来,粒子物理学家渴望超越标准模型。尽管希格斯玻色子完成了标准模型的最后一个难题,但科学家们从来没有停止过寻找超出标准模型的线索。现在,CERN的大型强子对撞机(LHC)取得了新的突破。 2012年,LHC发现了上帝粒子的黑格子玻色子。

  研究人员在实验中发现,B介子的衰变过程与标准模型的描述不匹配,科学家可能已经捕获了新的粒子,与之前发现的其他线索一起。西班牙巴塞罗那大学自由主义理论家华金·马蒂亚斯(Joaquim Matias)表示,迄今为止,我们从未观察到与标准模型有一系列相互依赖的偏差,并且可以用一种非常简单的方式来解释一系列的偏差:有一种新的粒子。马蒂亚斯说,有证据表明,这是一个很大的发现,而其他人仍然保持谨慎和观望的态度。

  费米实验室宣布发现顶夸克之后,标准模型预测的61个初级颗粒中有60个被证实。希格斯玻色子唯一剩下未被发现的粒子。最终,CERN的两个最大的探测器ATLAS和CMS独立发现了希格斯粒子,但是这个发现的新线索是一个更小的LHC检测器,称为LHCb(LHC底部夸克检测器)。LHCb的任务是精确监测已知粒子的衰变,特别是B介子。

  B介子由夸克的基本粒子组成。熟悉的质子和中子是由夸克组成的。高能粒子的碰撞也会产生一些夸克:夸夸克,奇夸克,顶夸克和底夸克。这些夸克可以结合反夸克。 B介子由反夸克和夸克组成。

  虽然B介子只存在于十亿分之一秒内,但科学家们希望它的衰变过程能打开一扇窗户,看到新的物质世界。由于量子的不确定性,内部动荡可能会影响其衰减。如果在B介子衰变过程中有任何新的粒子介入,衰变的速度和细节将偏离标准模型的预测。

  这为人类提供了间接发现新粒子的途径。在20世纪70年代,人们只知道夸克,夸克和夸克是物理学家,因为发现K介子(一个由一个夸克和一个反夸克组成的介子)的衰变过程有点奇怪,然后预言了Charm夸克的存在。

  最近,CERN的LHCb研究人员报告说,当他们发现B介子中的一个衰减到K介子时,副产物和标准模型之间就存在偏差。根据标准模型,衰变产生一个介子和一个反介子,或者一个电子和一个正电子,具有相等的概率。然而,在实验中,他们发现概率分布不均匀:前者发生频率低于后者。英国牛津大学的物理学家盖伊·威尔金森(Guy Wilkinson)代表LHCb小组的770名成员说:“这个测量很重要,因为从理论上说,它应该是非常统一的。

  事实上,结果只是LHCb发现的六条连贯线索之一。早在2013年,他们就发现B介子衰变过程中产生的粒子偏离了标准模型的预测。

  所有这些异常都不确定。根据标准模型,当B介子衰减到K介子时,底夸克瞬间成为顶夸克,然后是奇夸克。在这个过程中,底夸克需要释放,然后重新吸收一个W玻色子(W玻色子是一个传递弱相互作用的粒子)。

  但是最新的实验数据表明,底夸克可能直接成为一个奇怪的夸克,不可能发生在一个标准模型中的变化,而这个变化是通过发布除标准模型以外的新模型,即Z玻色子。假设的新粒子将是超越第一个标准模型的粒子,并将为理论增添新的力量。

  另外,这个额外的衰变过程减少了介子的形成,从而解释了这个异常。这听起来像解释说明,但这个假设确实对应于实验数据。辛辛那提大学理论家沃尔夫冈·奥特曼斯霍夫说。其他人则假设存在夸克和电子混合夸克夸克,并提供另一种方式来解释这些偏差。

  当然,这种偏差也可能是实验数据波动造成的错觉。十八个月前,ATLAS和CMS的研究人员怀疑发现了一个新的粒子,发现他们缺乏足够的实验数据。 Altmannshofer表示,目前的信号和前一个一样强劲。

  但他们之间也有分歧。 ATLAS和CMS主要发现新事物,而LHCb则更多地被补充。马蒂亚斯说。

  如果Z玻色子或轻子夸克确实存在,LHC可能通过碰撞找到它们,即使它们存在很短的时间。冬季关闭后,LHC即将恢复工作。下个月,这些粒子探测器将返回到他们的职位。 (张璋编)

  中国科学报(2017-04-25第3版国际)