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大型强子对撞机发现违反标准物理学模型的粒子

藉由欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC) 的协助,一个国际研究小组找到了数十年来物理学家一直在寻找的证据,违反标准模型(Standard Model)的次原子粒子(subatomic particles)的活动。在粒子物理学里,标准模型是目前为止解释粒子的行为和互动最好的理论;然而,这理论是不完整的因为它不考虑重力。透过使用大型强子对撞机,研究人员希望能观察到违反粒子物理学标准规则的情况。

这群物理学家研究这台大型强子对撞机2011-2012年第一次运转时所收集到数据该次运转因发现希格斯玻色子而声名大噪)发现到他们所寻找的轻子(Leptons)违反标准模型的证据:轻子是由一群包含涛子(tau)、电子(electron)、渺子(muon)等三种不同物质的次原子粒子所组成。电子是非常稳定,而涛子和渺子衰退速度飞快。

在新的研究中,研究人员综合找寻B 介子(B mesons)衰变成如涛子和渺子等更轻粒子的证据。标准模型认为所有轻子都应该被视为基本力,一种称为"轻子普适性(lepton universality )"的概念。这意味着涛子和渺子应以相同速度衰变,一旦质量被考虑进去。但该团队发现了尽管非常微小但可观察到的衰变数度差异,这表示可能存在有未知的力量或干扰衰变速度的粒子。

“标准模型认为,这个世界以相通的方式和所有轻子互动。这世界是很民主的,但没人能保证,如果我们发现新的粒子或新的力量,这样的说法不一定会是正确的。”其中一位主要研究员、来自美国马里兰大学的桑‧贾瓦赫里在在一份声明中说。”标准模型将轻子普适性奉为圭臬。如果这种普遍性被打破的话,我们可以说我们找到了非标准物理的证据。”

这些结果辅助了2012年在史丹佛大学国家加速器实验室所进行的BaBar实验所得到的相似结果。BaBar实验也是专注在B 介子的衰变;然而,大型强子对撞机是将质子撞碎在一起,SLAC的实验主要使用碰撞电子。尽管实验方法不同,重点在于这两个实验有相似的结果,暗示着在物理学上为真。

进一步的实验以确认认这些最新的结果是必要的。在今年四月, LHC在经历两年的间隙升级后重新运作。自从LHC重新上线后,研究人员已经观察到破记录的能量等级,而且研究小组有信心他们将有较好的机会,可以观察更多的挑战标准模型的粒子活动、与这些发现相符的粒子行为。

“我们正在计划多种其他测量。 LHCb实验目前在第二个运转期间收集到更多资料,” Jawahery在一份声明中表示。”这里的任何知识都能帮助我们学到宇宙是如何演进到现今的状态。举例来说,我们知道暗物质(dark matter)和暗能量(dark energy)的存在,但是我们尚未知道他们是什么或者该如何解释他们。我们的实验结果可能是那谜题的一部份[…] 如果我们能证明有标准模型之外的不明的粒子和互动,就能够找出完整的面貌。”

这些发现将刊登于九月四号出刊的物理评论(Physical Review Letters)。

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