基础物理学研究再添“新证据”

本报讯 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机底夸克探测器(LHCb)实验日前公布的研究成果,为搞清目前基础物理学理论无法解释的现象提供了新线索。

此前,同一项实验公布的证据表明,粒子打破了标准模型的核心原则之一(当前关于粒子和作用力的最佳理论),表明可能存在新的基本粒子和力。

如今,英国剑桥大学卡文迪许实验室的物理学家实施了进一步测量,并发现了类似的效应,为新物理学的发展提供了支持。

标准模型描述了所有已知组成宇宙的粒子以及它们之间相互作用的力。迄今为止,该模型已经通过了所有的实验测试,但物理学家知道它是不完整的。标准模型不包括重力,也不能解释宇宙大爆炸中物质是如何产生的,此外也不包含能够解释神秘暗物质的粒子。

因此,长期以来,为解开这些谜题,物理学家一直在寻找标准模型之外的物理迹象。而寻找新粒子和作用力的最好方法之一,就是研究被称为底夸克的粒子。它们是构成原子核的上下夸克的奇异“表亲”。

底夸克在世界上并不大量存在,因为它们的寿命非常短——在转化或衰变为其他粒子之前,平均只存在一万亿分之一秒。然而,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC每年都会产生数十亿个底夸克——这是由LHCb记录到的。

底夸克衰变的方式可能会受到未被发现的力或粒子的影响。今年3月,物理学家公布的一组LHCb数据显示,底夸克衰变为μ子的频率低于衰变为较轻的电子的频率。这在标准模型中是无法解释的。底夸克应该是以相同的速率衰变为介子和电子。然而,LHCb发现,介子衰变的发生频率仅为电子衰变的85%左右。

假设观测结果是正确的,最有可能的解释是,一种新的力在以不同的强度吸引电子和介子,干扰了这些底夸克的衰变。然而,为了确定这种效果是否真实,还需要更多的数据来减少实验误差。只有当一个结果达到“5西格玛”阈值,即当它由随机概率造成的误差小于百万分之一时,粒子物理学家才会承认这是一个真正的发现。

最新的结果检测了两个新的底夸克衰变,它们来自之前研究中使用的衰变家族。研究小组发现了同样的效应——介子衰变的发生频率仅为电子衰变的70%左右。虽然这一结果本身并不是结论性的,但它确实提供了进一步的证据。这些证据表明,有新的基本力有待发现。

“升级后的LHCb即将启动,并将进一步收集数据。LHC提供的研究结果令人兴奋,并将最终带来一项重大发现。”卡文迪许实验室教授Val Gibson说。(冯维维)

相关论文信息:https://arxiv.org/abs/2110.09501