物理學(xué)的進(jìn)步！第五種基本力的證據(jù)增加了

2021-10-26 10:27:18

來(lái)源：煎蛋網(wǎng)

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)在今年3月份點(diǎn)燃了全世界物理學(xué)家的期待，因?yàn)榱Ｗ游锢韺W(xué)家報(bào)告了誘人證據(jù)--可能發(fā)現(xiàn)了新的自然力。

現(xiàn)在，來(lái)自歐洲核子研究中心巨大的粒子對(duì)撞機(jī)的新結(jié)果，尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)審，似乎提供了進(jìn)一步的支持。

我們目前關(guān)于粒子和力的最佳理論被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型，它準(zhǔn)確無(wú)誤地描述了我們所知的物質(zhì)的一切。

標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)疑是有史以來(lái)最成功的科學(xué)理論，但同時(shí)我們也知道它必須是不完整的。

最著名的是，它只描述了四種基本力中的三種--電磁力和強(qiáng)、弱力，而不包括引力。它沒(méi)有解釋天文學(xué)告訴我們的主導(dǎo)宇宙的暗物質(zhì)，也不能解釋物質(zhì)如何在大爆炸時(shí)期的存在。

因此，大多數(shù)物理學(xué)家相信，一定有更多的規(guī)律尚未被發(fā)現(xiàn)。

美夸克，有時(shí)也被稱為底夸克，是基本粒子，可以構(gòu)成更大的粒子。有6種類型的夸克，被稱為上、下、奇、粲、美/底和真/頂。例如，上夸克和下夸克構(gòu)成了原子核中的質(zhì)子和中子。

美夸克是不穩(wěn)定的，在衰變成其他粒子之前，平均僅生存約1.5萬(wàn)億分之一秒。美夸克的衰變方式會(huì)受到其他基本粒子或力的強(qiáng)烈影響。

當(dāng)美夸克衰變時(shí)，它通過(guò)弱力的影響轉(zhuǎn)化為一組較輕的粒子，如電子。揭示一種新的自然力的方式之一，就是觀察美夸克衰變?yōu)椴煌愋土Ｗ拥念l率。

3月的論文基于來(lái)自LHCb實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，LHCb是四個(gè)巨型粒子探測(cè)器之一，記錄了LHC產(chǎn)生的超高能碰撞的結(jié)果。(LHCb中的 "b "代表著 "美")。)

它發(fā)現(xiàn)美夸克正以不同的速度衰變?yōu)殡娮雍退鼈兏氐谋碛H--μ介子。這確實(shí)令人驚訝，因?yàn)楦鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，μ介子基本上是電子的一個(gè)復(fù)制品--除了重約200倍之外，其他方面都是一樣的。

這意味著所有的力對(duì)電子和μ介子的拉扯力度應(yīng)該是一樣的。

但現(xiàn)實(shí)則相反，我的同事發(fā)現(xiàn)，μ介子衰變的頻率只有電子衰變的85%左右。假設(shè)這個(gè)結(jié)果是正確的，解釋這種效應(yīng)的唯一方法是，如果某種以不同方式拉動(dòng)電子和μ介子的新自然力正在干擾美夸克的衰變。

這一結(jié)果在粒子物理學(xué)家中引發(fā)了巨大的熱情。幾十年來(lái)，我們一直在尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的跡象，盡管在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上工作了十年，但到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何結(jié)論性的東西。

因此，發(fā)現(xiàn)一種新的自然力量將是一個(gè)巨大的契機(jī)，可能最終打開(kāi)一些最深?yuàn)W的謎團(tuán)的大門。

雖然結(jié)果是誘人的，但它并不是決定性的。所有的測(cè)量都有一定程度的不確定性或 "誤差"。在這種情況下，只有大約千分之一——--或者我們?cè)诹Ｗ游锢韺W(xué)術(shù)語(yǔ)中所說(shuō)的 "三西格瑪"——的可能性，即結(jié)果是由隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)造成的。

一千分之一可能聽(tīng)起來(lái)不多，但我們?cè)诹Ｗ游锢韺W(xué)中進(jìn)行了大量的測(cè)量，因此可以期望一小部分?jǐn)?shù)據(jù)因隨機(jī)而出現(xiàn)異常值。

為了真正確定結(jié)論是真實(shí)的，我們需要達(dá)到五西格瑪--相當(dāng)于巧合的幾率不到百萬(wàn)分之一的可能性。

為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們需要減少誤差的大小，而要做到這一點(diǎn)，我們需要更多的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是簡(jiǎn)單地讓實(shí)驗(yàn)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，并記錄更多的衰變。

這就是我和我的同事所做的。嚴(yán)格地說(shuō)，我們實(shí)際上從未直接研究過(guò)美夸克衰變，因?yàn)樗械目淇丝偸桥c其他夸克結(jié)合在一起，形成更大的粒子。

3月的研究著眼于與與上夸克配對(duì)的美夸克。最新結(jié)果研究了兩種衰變：一種是與下夸克配對(duì)的美夸克，另一種是與上夸克配對(duì)。

不過(guò)，配對(duì)并不重要--發(fā)生在深處的衰變是相同的，因此我們期望看到相同的效果，如果那里真的有一種新力。

而這正是我們所看到的。這一次，μ介子衰變的發(fā)生率只有電子衰變的70%左右，但誤差較大，這意味著該結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型相差大約 "兩個(gè)西格瑪"(大約有百分之二的機(jī)會(huì)是統(tǒng)計(jì)上的異常)。

這意味著，雖然這個(gè)結(jié)果本身還不夠精確，不足以宣稱有新力的確切證據(jù)，但它確實(shí)與之前的結(jié)果非常接近，并為我們可能處于一個(gè)重大突破的邊緣的想法增加了進(jìn)一步的支持證據(jù)。

當(dāng)然，我們應(yīng)該謹(jǐn)慎行事。我們能夠在一定程度上肯定地宣稱真的看到了第五種自然力的之前，還有一些路要走。