轻子普适性的新测试为“新物理学”提供了证据

欧洲核子研究中心(CERN) LHCb(大型强子对撞机)合作项目的物理学家们进行了轻子普适性的新测试,这是粒子物理标准模型的基本原理之一。这一原理表明,除了由于质量不同而产生的差异外,标准模型对三种带电轻子——电子、介子和介子——的处理是相同的。新的测量结果显示了与LHCb合作先前的结果相同的轻子普适性偏差的相干模式。

在LHCb探测器中,一个B0介子衰变为K0和一个电子-正电子对,用来灵敏地检验标准模型中的轻子普适性。图片来源:欧洲核子研究中心。

在LHCb探测器中,一个B0介子衰变为K0和一个电子-正电子对,用来灵敏地检验标准模型中的轻子普适性。图片来源:欧洲核子研究中心。

标准模型描述了所有已知的组成宇宙的粒子以及它们相互作用的力。

迄今为止,它已经通过了所有的实验测试,但物理学家知道它肯定是不完整的。

它不包括万有引力,也不能解释大爆炸期间物质是如何产生的。

它也不包含能解释神秘暗物质的粒子。

因此,物理学家们长期以来一直在寻找标准模型之外的物理迹象,以帮助我们解决这些谜题。

寻找新粒子和力的最好方法之一是研究被称为美丽夸克的粒子。

它们是构成原子核的上下夸克的奇异表亲。

美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(Large Hadron Collider)每年产生数十亿个美丽的夸克,并由专门建造的名为LHCb的探测器记录下来。

美夸克衰变的方式可能会受到未被发现的力或粒子的存在的影响。

3月,LHCb合作发布结果显示,美夸克衰变为介子的频率比衰变为较轻的电子的频率要低。

这在标准模型中是无法解释的,除了电子比介子轻200倍之外,标准模型对电子和介子的处理是一样的。

因此,美夸克应该以相同的速率衰变为介子和电子。

相反,LHCb的物理学家发现介子衰变的发生频率仅为电子衰变的85%左右。

LHCb的结果和标准模型之间的差异大约是三个实验误差单位,在粒子物理学中被称为“3 sigma”。这意味着只有大约千分之一的概率的结果是由统计上的侥幸造成的。

假设结果是正确的,最有可能的解释是,一种新的力,以不同的强度吸引电子和介子,干扰了这些美丽的夸克的衰变。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 σ”阈值,当它是由随机概率造成的概率小于百万分之一时,粒子物理学家才会开始认为它是一个真正的发现。

“事实上,我们看到了与我们的同事在3月份所做的相同的效果,这无疑增加了我们可能真的即将发现新东西的可能性。”卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)的物理学家哈里·克利夫(Harry Cliff)博士说。

新的结果检测了两个新的美夸克衰变,这两个衰变来自于先前结果中使用的衰变家族。

研究小组发现了相同的效应——介子衰变的发生频率仅为电子衰变的70%左右。

同样来自卡文迪什实验室的Val Gibson教授说:“当升级后的LHCb探测器即将启动,以及进一步收集数据时,大型强子对撞机的兴奋程度正在增加,这些数据将提供必要的统计数据,以宣布或驳斥一项重大发现。”

团队的将出现在杂志物理评论快报

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r . Aaij.LHCb合作组()。2021.用B0→K0年代+和B+→K∗++衰变。理论物理。(1在出版社;arXiv: 2110.09501

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