轻子普适性的新测试为“新物理学”提供了证据

来自欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHCb)合作项目的物理学家们对粒子物理学标准模型的基本原理之一——轻子普适性进行了新的测试。这一原理表明,标准模型对三个带电轻子——电子、μ子和taus——一视同仁,除了由于它们的质量不同而有所不同。新的测量显示出与LHCb合作之前的结果相同的偏离轻子普适性的相干模式。

LHCb探测器中B0介子衰变为K0和电子-正电子对,用于对标准模型中轻子普适性的灵敏测试。图片来源:欧洲核子研究中心。

LHCb探测器中B0介子衰变为K0和电子-正电子对,用于对标准模型中轻子普适性的灵敏测试。图片来源:欧洲核子研究中心。

标准模型描述了构成宇宙的所有已知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,但物理学家们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。

它也不包含任何可以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现象,以帮助我们解决这些谜团。

寻找新粒子和力的最好方法之一是研究被称为美夸克的粒子。

它们是构成每个原子原子核的上下夸克的异域表亲。

美夸克在这个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,平均只存在万亿分之一秒。

然而,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机每年产生数十亿个美夸克,并由专门建造的LHCb探测器记录下来。

美夸克衰变的方式可能会受到尚未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低于它们较轻的表亲电子。

这在标准模型中是不可能解释的,因为标准模型把电子和介子看成是一样的,除了电子大约比介子轻200倍这一事实。

因此,美夸克应该以同样的速度衰变为μ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单位的实验误差,或者在粒子物理学中被称为“3 σ”。这意味着这个结果是由统计上的侥幸造成的概率只有千分之一左右。

假设结果是正确的,最有可能的解释是,一种新的力量以不同的强度吸引电子和介子,干扰了这些美丽的夸克衰变的方式。然而,要确定这种效应是否真实,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,我们的同事在3月份发现了同样的效应,这无疑增加了我们可能真正处于发现新东西边缘的可能性。”对这个谜题有更多的了解真是太好了,”卡文迪什实验室的物理学家哈里·克利夫博士说。

新的结果检测了两个新的美夸克衰变,它们和之前的结果一样,属于同一系列的衰变。

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瓦尔·吉布森教授说:“随着LHCb探测器即将启动,进一步收集的数据将提供必要的统计数据,以证明或驳斥一个重大发现,大型强子对撞机的兴奋正在增长。”

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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