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大型強子對撞機出了新偏差，物理學家很興奮

一系列奇怪的發(fā)現(xiàn)令理論物理學家對發(fā)現(xiàn)新粒子充滿希望
作者： Davide Castelvecchi, 2017年4月20日刊于《自然》

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物理學家正在辯論來自LHCb*(如圖所示)的數(shù)據(jù)究竟暗示著一種新粒子還是統(tǒng)計誤差。Credit: CERN

* LHCb(英語：Large Hadron Collider beauty)，或稱大型強子對撞機底夸克實驗，是LHC上的7個探測器之一，主要物理目標是測量在b強子(包含底夸克的重粒子)中的CP破壞和新物理。這樣的研究可以幫助解釋宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性。該探測器也能夠履行在前面區(qū)域的生產(chǎn)截面和弱電物理學的測量。大約有來自60個科研機構(gòu)840人，代表16個國家，形成建造和操作探測器的合作
——譯者注，來自維基百科

物理學家期待著，大型強子對撞機(LHC)五年之久的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的一系列的誤差或許指向一種全新的基本粒子。

位于日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理實驗室——歐洲核子研究中心(CERN)4月18日研討會上報告的最新發(fā)現(xiàn)或許將隨著對新數(shù)據(jù)的分析而被證明為統(tǒng)計波動從而淡出視野。但這很有趣，因為這與此前的發(fā)現(xiàn)的奇怪之處相吻合。這也與一些理論物理學家基于早期報告而的提出的新物理的預測相符。

來自英國伯明翰大學的西蒙·比法尼(Simone Bifani)在CERN研討會上告知物理學家，由LHC撞擊質(zhì)子時所產(chǎn)生的被稱為B介子第特殊短壽命粒子似乎以出乎意料的方式衰變。

粒子物理標準模型預測，成對的物質(zhì) - 反物質(zhì)粒子應在B介子的衰變產(chǎn)物中，而且尤其是正-反電子對和介子-反介子對的數(shù)量應大致相等。(μ子即電子的重型表親)。但比法尼表示，研究者基于LHCb實驗收集到的數(shù)據(jù)，觀測到了更多的正-反電子對。

英國牛津大學的物理學家、LHCb的發(fā)言人蓋·威爾金森表示，這可能僅僅是統(tǒng)計上的疏漏。在最新的研究中，研究者們分別查看了兩組LHCb有關(guān)B介子衰變實驗的數(shù)據(jù)，而且在每組數(shù)據(jù)中都發(fā)現(xiàn)了一項低于2.5σ (標準差)的統(tǒng)計誤差。這比通?？杀环Q為一項“發(fā)現(xiàn)”所要求的5σ還有不小的差距。

但威爾金森指出，LHCb 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與介子衰變、尤其是與不同類型的B介子相關(guān)的諸多的相似誤差。這雖然還不具備統(tǒng)計學意義，但都指向了同一個方向。他表示：“近5年來一直在發(fā)生著奇怪的事情。”

一些LHC 的物理學家并不十分確定該公告值得其研究人員收獲的激動心情。 比如CERN 的物理學家安德烈·戴維(André David)在推特上表示“這里多1σ，那里也多1σ” 并不能弄出來一項發(fā)現(xiàn)。

短壽命的新粒子？

理論物理學家依然基于早期發(fā)現(xiàn)提出了不少新物理學說。而且一顆賽艇的是，最新的B介子衰變結(jié)果符合這些想法，來自德國慕尼黑工業(yè)大學的理論物理學家大衛(wèi)·施特勞普(David Straub)這樣說道。施特勞普Straub 昨天在arXiv網(wǎng)站上張發(fā)布了一篇分析最新的介子衰變結(jié)果的論文；另有五篇理論論文也已發(fā)布，而且之后會有更多。阿姆斯特丹自由大學的理論物理學家胡安·羅霍(Juan Rojo)表示：“大家正在密切關(guān)注這些結(jié)果?！?/p>

如果這些結(jié)果不是統(tǒng)計誤差，那么解釋這些結(jié)果最明顯的方法就是當B介子衰變時，在物理學標準模型中未預測的新型粒子的短暫顯現(xiàn)影響了衰變產(chǎn)物，那6篇論文都同意這個解釋。一種可能性是，或許有一種比叫做Z玻色子的更重的粒子，被稱為Z'。另一種解釋是“輕夸克”的存在 ，它是一種兼具輕子與夸克的一些特性的玻色子。

這些粒子都不會出現(xiàn)在理論家最喜歡的擴展標準模式的構(gòu)想中，但研究人員表示，如果這些粒子真實存在，LHC更大的實驗——ATLAS和CMS**——應該能夠直接創(chuàng)造它們，而不是觀察它們對其他粒子衰變的影響。

**ATLAS和CMS：
ATLAS——超環(huán)面儀器(英語：A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS)，大型強子對撞器(LHC)所配備的七大實驗探測器之一。此實驗專門為觀測涉及高質(zhì)量粒子的現(xiàn)象而精心設(shè)計建造；使用先前較低能量的粒子加速器無法觀測到這些現(xiàn)象。物理學者希望此實驗能為在標準模型之后關(guān)于粒子物理學的新理論找到一些線索。

CMS——緊湊μ子線圈(CMS，Compact Muon Solenoid)，CERN的大型強子對撞機計劃的兩大通用型粒子偵測器中的一個。通用型的偵測器，用來研究LHC加速器所提供的 14 TeV 質(zhì)心能量下質(zhì)子對撞的物理。

——譯者注，來自維基百科

LHCb的最新分析完基于LHC的初次運行，該運行于2013年初期對撞機需為升級關(guān)閉而結(jié)束。自2015年對撞機為第二次運行重啟以來，LHCb和其他實驗 已經(jīng)收集了更多數(shù)量可觀的數(shù)據(jù)。幾項針對B介子衰變的研究目前正在進行中。因此，這個謎團在今年年末之前或許能夠解開。

威爾金森表示：“我們擁有足夠的數(shù)據(jù)記錄來支持或反駁這些效果，真相終將大白?！?/p>

本文譯自 scientificamerican，由譯者 HW 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。

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