挑戰(zhàn)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的μ子，被最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果摁回去了

羿閣 2022-12-22 12:51:06 來源：量子位

羿閣 蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

曾被認(rèn)為可能“打破標(biāo)準(zhǔn)模型”的μ子，被科學(xué)家們摁回去了。

來自歐洲LHCb團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格復(fù)核后，承認(rèn)此前的分析存在問題：

實(shí)際上，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)是一致的。

要知道，此前這個(gè)重磅發(fā)現(xiàn)一旦被證實(shí)，就可能出現(xiàn)顛覆標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論，甚至整個(gè)粒子物理學(xué)體系都會(huì)被改寫。

然而如今這一系列結(jié)果卻再次被證實(shí)不可靠——

所謂“μ子出現(xiàn)異常”的關(guān)鍵證據(jù)，是由于一系列微妙的誤差導(dǎo)致的。

LHCb團(tuán)隊(duì)發(fā)言人、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家Chris Parkes對(duì)此解釋稱：

在早先的測(cè)量中，科學(xué)家們錯(cuò)誤地將一些其他粒子識(shí)別成了電子。

雖然大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）能很好地捕捉μ子，但對(duì)于它們來說，探測(cè)電子會(huì)更加困難。

對(duì)于不少試圖推翻現(xiàn)有理論的物理家來說，這并不是一個(gè)好消息。

但即便如此，他們也并沒有放棄對(duì)新理論的探索嘗試。

曾被認(rèn)為顛覆標(biāo)準(zhǔn)模型

標(biāo)準(zhǔn)模型，是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型，被視為有史以來最成功的物理理論之一。

從10年前人們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有粒子就都已被發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，不同的帶電輕子——電子、μ子、τ子，這三種粒子只有質(zhì)量不同，其他屬性（如電荷，自旋等）都應(yīng)完全相同，這種性質(zhì)稱為輕子味普適性（LFU）。

但LHCb團(tuán)隊(duì)一直試圖尋找其中的異常，來打破標(biāo)準(zhǔn)模型，在過去數(shù)年間，他們就多次發(fā)表論文提出可能違反LFU的測(cè)量結(jié)果。

例如在2021年的一篇論文中，團(tuán)隊(duì)基于LFU理論研究了關(guān)于K介子的B介子的衰變過程。

原本這一過程中產(chǎn)生電子的概率和μ子的概率應(yīng)該相等，但測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)μ子產(chǎn)生概率是電子的85%，且置信度達(dá)到三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（3σ）。

雖然還不到能用來宣稱重大發(fā)現(xiàn)的5σ，但也足夠讓人驚訝了。

BUT，LHCb團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一年的長(zhǎng)時(shí)間復(fù)核，發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是存在問題的。

在重新檢查K介子的B介子的衰變過程相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，LHCb團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這個(gè)異常是由一系列細(xì)微誤差合并起來產(chǎn)生的。

他們將這一結(jié)果在12月20日的歐洲粒子物理研究所研討會(huì)上進(jìn)行了公開，也引起了不少物理學(xué)家的驚訝。

蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)家Gino Isidori表示，這一結(jié)果確實(shí)出人意料，因?yàn)楫惓Ｖ悼雌饋泶_實(shí)可能意味著“以前沒見過的粒子”的存在：

我對(duì)這次結(jié)果感到遺憾，但LHCb“誠(chéng)實(shí)地”公開這次結(jié)果仍然是值得稱贊的。

制造μ子素來研究μ子

事實(shí)上，給科學(xué)家們制造“驚嚇”已經(jīng)是μ子的常規(guī)操作了。

但鑒于它仍舊是打破標(biāo)準(zhǔn)模型最大的希望之一，物理學(xué)家們并不打算放棄對(duì)它的研究。

最近發(fā)表在Nature子刊上的一篇新研究就表明，科學(xué)家們正在通過尋找一種新方法來測(cè)量μ子的性質(zhì)，即制造強(qiáng)烈的μ子素粒子束以減少統(tǒng)計(jì)誤差。

其中，μ子素又稱緲子偶素（符號(hào)Mu，muonium），是一種奇異原子，電子繞正μ子旋轉(zhuǎn)，是一種非常適合研究μ子的模型。

要想制造大量μ子素并不容易，但瑞士保羅謝勒研究所（PSI）和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們成功實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

他們用微波和激光，探測(cè)了低能μ子光束線上形成的μ子素的特性，首次測(cè)量出μ子素中某些非常特定的能量子水平之間的轉(zhuǎn)變。

團(tuán)隊(duì)下一步目標(biāo)是稱量μ子，即進(jìn)一步稱量更高精度的μ子質(zhì)量，作為其他實(shí)驗(yàn)常數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。研究人員表示：

如果實(shí)驗(yàn)順利，我們可能將測(cè)量精度再提升100倍。

在這一系列測(cè)量中，關(guān)于μ子的新特性也可能會(huì)被發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)再次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型“發(fā)起挑戰(zhàn)”。

論文地址：
[1]https://arxiv.org/abs/2212.09153
[2]https://arxiv.org/abs/2212.09152

參考鏈接：
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/vZoYcsI59vcQ_aL8NsnLzw
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-022-04545-z
[3]https://phys.org/news/2022-11-muonium-reveal-physics-standard.html