CERN 確認超稀有粒子變換，暗示新物理學

在歐洲核子研究組織 （CERN） 的粒子對撞機中，一個罕見的事件正在誘人地將我們帶到新物理學的邊緣。

從多年的運行經驗來看，所謂的NA62 實驗中，英國伯明翰大學的粒子物理學家 Cristina Lazzeroni 和她的同事現在已經建立、實驗觀察并測量了帶電 kaon 粒子衰變成帶電 π 子和中微子-反中微子對的過程。研究人員在CERN 研討會.

這是令人興奮的事情。十多年來，該團隊一直在不懈地追求這種非常特殊的衰減通道，因為它是所謂的“黃金”通道，這意味著它不僅非常罕見，而且被構成標準型號物理學。

這種稀有性和精度使其成為檢測新物理學的高靈敏度量規。然而，只有通過收集涵蓋無數粒子碰撞的大量數據，該團隊才能確認他們的發現是準確的，根據著名的 '五西格瑪' 統計確定性標準。

“這個困難的分析是出色團隊合作的結果，我為這個新結果感到非常自豪，”Lazzeroni 說.

Kaons 由一個夸克和一個在強力下結合的不同夸克反粒子的組合組成，它們以物理學家描述為的相當獨特的方式迅速衰變 '奇怪'.這個奇怪的特性使它們成為確定粒子通常應該如何表現的規則的得手工具。

如果你有合適的設備，kaons 的生產并不是特別困難。使用 CERN 的超級質子同步加速器，研究人員向靜止的鈹靶發射高能質子束。這會產生每秒約 10 億個粒子的次級光束，其中約 6% 是一種帶電的 kaon。

Kaons 的壽命不長;它們在億分之一秒內形成和衰變。因此，在次級光束中，kaon 衰變不斷發生，通常會變成電子的超重表親，稱為 μ 子，以及中微子.

然而，每 1000 億個 kaon 衰變中約有 13 個，結果是反中微子、中微子和由另一種夸克和反夸克組成的不穩定粒子，稱為 π。

“Kaons 和 pions 是含有夸克的粒子。夸克有不同的類型（上、下、奇異、迷人、美麗、頂部）這一事實被稱為味道，“Lazzerino 告訴 ScienceAlert。

“這種衰變的罕見性與這樣一個事實有關，即其中存在由 Z 介導的夸克風味變化玻色子并產生一個 pion 和中微子.這只能通過一個相當復雜的過程來實現，因此它很罕見。

觀察這個過程所需的 kaon 衰變量是天文數字，但這并不是所涉及挑戰的結束。眾所周知，中微子很難被發現，并且幾乎會立即與它們的反中微子伙伴一起湮滅;對于 NA62 實驗，研究人員沒有嘗試檢測中微子和反中微子對。

只是帶電的 ?子，或“pi+”，就是針，在其他帶電的 kaon （K+） 衰變的大海撈針中。

“我們想要丟棄的所有其他 K+ 衰變都稱為背景，并且具有可檢測的粒子。挑戰在于檢測都他們總是如此，因此當我們看到 K+ 到 pi+ 而不是其他任何東西時，我們確信我們沒有丟失任何東西，這真的是信號，“Lazzerino 解釋說。

這就是為什么當團隊宣布他們在 2019 年取得的第一組成績，他們并不完全處于他們所進行檢測的統計確定性的五西格瑪水平。現在，他們已經達到了這個門檻。

現在衰減通道已經建立，研究人員可以繼續尋找可能表明新物理場的任何偏差。該團隊觀察到的 kaon 到 pion 和中微子/反中微子衰變的數量高于標準模型預測的每 1000 億人中有 8.4 人，但它仍在不確定性參數范圍內。

為了找到新的物理特性，需要觀察衰變次數的更大偏差。

“這標準型號到目前為止，預測觀測結果已經非常好了，但我們知道它肯定有缺點。就像它不包含暗物質，還有事情——反物質不平衡對于代表宇宙所需要的東西來說，是太小的數量級了。通常，我們期望出現新的物理場。它到底是什么，我們不得而知。但一般來說，我們預計會出現新的粒子（和力），“Lazzeroni 說。

“NA62 已經積累了更多的數據，并將持續三年。有了全部數據，我們將能夠精確地確定它是否與標準模型一致。

多么令人興奮。

該團隊在CERN 研討會.

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