CERN 確認(rèn)超稀有粒子變換，暗示新物理學(xué)

在歐洲核子研究組織 （CERN） 的粒子對撞機(jī)中，一個(gè)罕見的事件正在誘人地將我們帶到新物理學(xué)的邊緣。

從多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，所謂的NA62 實(shí)驗(yàn)中，英國伯明翰大學(xué)的粒子物理學(xué)家 Cristina Lazzeroni 和她的同事現(xiàn)在已經(jīng)建立、實(shí)驗(yàn)觀察并測量了帶電 kaon 粒子衰變成帶電 π 子和中微子-反中微子對的過程。研究人員在CERN 研討會(huì).

這是令人興奮的事情。十多年來，該團(tuán)隊(duì)一直在不懈地追求這種非常特殊的衰減通道，因?yàn)樗撬^的“黃金”通道，這意味著它不僅非常罕見，而且被構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)型號物理學(xué)。

這種稀有性和精度使其成為檢測新物理學(xué)的高靈敏度量規(guī)。然而，只有通過收集涵蓋無數(shù)粒子碰撞的大量數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)才能確認(rèn)他們的發(fā)現(xiàn)是準(zhǔn)確的，根據(jù)著名的 '五西格瑪' 統(tǒng)計(jì)確定性標(biāo)準(zhǔn)。

“這個(gè)困難的分析是出色團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果，我為這個(gè)新結(jié)果感到非常自豪，”Lazzeroni 說.

Kaons 由一個(gè)夸克和一個(gè)在強(qiáng)力下結(jié)合的不同夸克反粒子的組合組成，它們以物理學(xué)家描述為的相當(dāng)獨(dú)特的方式迅速衰變 '奇怪'.這個(gè)奇怪的特性使它們成為確定粒子通常應(yīng)該如何表現(xiàn)的規(guī)則的得手工具。

如果你有合適的設(shè)備，kaons 的生產(chǎn)并不是特別困難。使用 CERN 的超級質(zhì)子同步加速器，研究人員向靜止的鈹靶發(fā)射高能質(zhì)子束。這會(huì)產(chǎn)生每秒約 10 億個(gè)粒子的次級光束，其中約 6% 是一種帶電的 kaon。

Kaons 的壽命不長;它們在億分之一秒內(nèi)形成和衰變。因此，在次級光束中，kaon 衰變不斷發(fā)生，通常會(huì)變成電子的超重表親，稱為 μ 子，以及中微子.

然而，每 1000 億個(gè) kaon 衰變中約有 13 個(gè)，結(jié)果是反中微子、中微子和由另一種夸克和反夸克組成的不穩(wěn)定粒子，稱為 π。

“Kaons 和 pions 是含有夸克的粒子?？淇擞胁煌念愋停ㄉ?、下、奇異、迷人、美麗、頂部）這一事實(shí)被稱為味道，“Lazzerino 告訴 ScienceAlert。

“這種衰變的罕見性與這樣一個(gè)事實(shí)有關(guān)，即其中存在由 Z 介導(dǎo)的夸克風(fēng)味變化玻色子并產(chǎn)生一個(gè) pion 和中微子.這只能通過一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程來實(shí)現(xiàn)，因此它很罕見。

觀察這個(gè)過程所需的 kaon 衰變量是天文數(shù)字，但這并不是所涉及挑戰(zhàn)的結(jié)束。眾所周知，中微子很難被發(fā)現(xiàn)，并且?guī)缀鯐?huì)立即與它們的反中微子伙伴一起湮滅;對于 NA62 實(shí)驗(yàn)，研究人員沒有嘗試檢測中微子和反中微子對。

只是帶電的 ?子，或“pi+”，就是針，在其他帶電的 kaon （K+） 衰變的大海撈針中。

“我們想要丟棄的所有其他 K+ 衰變都稱為背景，并且具有可檢測的粒子。挑戰(zhàn)在于檢測都他們總是如此，因此當(dāng)我們看到 K+ 到 pi+ 而不是其他任何東西時(shí)，我們確信我們沒有丟失任何東西，這真的是信號，“Lazzerino 解釋說。

這就是為什么當(dāng)團(tuán)隊(duì)宣布他們在 2019 年取得的第一組成績，他們并不完全處于他們所進(jìn)行檢測的統(tǒng)計(jì)確定性的五西格瑪水平?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)門檻。

現(xiàn)在衰減通道已經(jīng)建立，研究人員可以繼續(xù)尋找可能表明新物理場的任何偏差。該團(tuán)隊(duì)觀察到的 kaon 到 pion 和中微子/反中微子衰變的數(shù)量高于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的每 1000 億人中有 8.4 人，但它仍在不確定性參數(shù)范圍內(nèi)。

為了找到新的物理特性，需要觀察衰變次數(shù)的更大偏差。

“這標(biāo)準(zhǔn)型號到目前為止，預(yù)測觀測結(jié)果已經(jīng)非常好了，但我們知道它肯定有缺點(diǎn)。就像它不包含暗物質(zhì)，還有事情——反物質(zhì)不平衡對于代表宇宙所需要的東西來說，是太小的數(shù)量級了。通常，我們期望出現(xiàn)新的物理場。它到底是什么，我們不得而知。但一般來說，我們預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)新的粒子（和力），“Lazzeroni 說。

“NA62 已經(jīng)積累了更多的數(shù)據(jù)，并將持續(xù)三年。有了全部數(shù)據(jù)，我們將能夠精確地確定它是否與標(biāo)準(zhǔn)模型一致。

多么令人興奮。

該團(tuán)隊(duì)在CERN 研討會(huì).

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