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三年改造后,大型强子对撞机再出发

常驻编辑 科普中国 2022-09-05 夸克   质子   物理学家   探测器   反常   粒子   模型   现象   自然   事件   数据
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特别是,LHCb实验改进了探测器设备,能仅使用软件来扫描事件以寻找有趣的物理现象。整个实验的改进意味着它在第三次运行中收集的数据应该是第二次运行中的四倍。伊雷娜·约里奥-居里实验室的物理学家、LHCb实验组成员Yasmine Amhis说,它“几乎是个全新的探测器”。xEn拜客生活常识网

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LHCb的“顶点定位器”放置在LHC的束管附近,用来观察短寿命粒子。来源:Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERNxEn拜客生活常识网

发现反常xEn拜客生活常识网

ATLAS实验的物理学家Ludovico Pontecorvo说,第三次运行还将使物理学家们更加精确地测量已知粒子(例如希格斯玻色子)仅此一项就可能产生与已知物理学相冲突的结果——例如,当更精确地测量它,让误差线缩小到足以使其处于标准模型预测之外的程度。xEn拜客生活常识网


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但物理学家们也想知道最近的一系列奇怪结果是否是真正的反常现象,这可能有助于填补对理解宇宙的一些空白。标准模型是不完整的:例如它无法解释暗物质等现象。在过去的两年里,与模型相矛盾但又不足以被当作明确差异的情形,已经出现了很多次(见“新物理学的迹象?”)xEn拜客生活常识网

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Nik Spencer/Nature;来源:CERNxEn拜客生活常识网

最近一次异常出自位于费米国家加速器实验室的Tevatron对撞机(关闭于2011年)。研究人员在过去十年中一直在研究Tevatron的CDF实验的数据。4月份时,他们报道W玻色子(一种携带与放射性衰变有关的弱核力的基本粒子)的质量显著高于标准模型的预测[1]xEn拜客生活常识网


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这与LHC的数据不符:ATLAS和LHCb的测量结果与CDF的数据不一致,尽管前者的数据不太精确。CMS的物理学家现在正在使用机器第二次运行的数据进行自己的测量。第3轮的数据可以提供明确的答案,尽管不能立刻提供,因为W玻色子的质量出了名的难以测量。xEn拜客生活常识网

B介子乱局xEn拜客生活常识网

LHC的数据还有其他反常情况的迹象。特别是近十年来,关于B介子奇怪行为的证据不断涌现。这些瞬态粒子会迅速衰变为其他粒子,之所以如此命名,是因为它们包含成对的基本粒子,其中包括“底(bottom)”夸克(或“美”夸克“beauty”quark,均为B开头——译注)。LHCb的分析表明,B介子衰变产生电子,往往比产生更重的电子近亲μ子的几率更高[2]。英国利物浦大学的粒子物理学家、LHCb组织的成员Tara Shears 说,标准模型预测大自然不应该偏爱其中任何一个粒子。“μ子的产生的频率比电子少约15%,这可太奇怪了。”她说。xEn拜客生活常识网


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这个结果不同于标准模型的预测,显著性约为3 sigma,即与预期值相差3个标准差——这意味着随机噪声有千分之三的可能产生明显偏差。只有更多的数据才能确认这种影响究竟是真实的,还是统计上意外得之。Shears说,实验科学家可能误解了他们的数据或机器中的某些东西,但现在许多相关的LHCb探测器已被替换,下一阶段的数据收集应该可以提供交叉检查。“如果[反常现象]没了,我们会很受挫。但科学家的生活就是这样,这种事是会发生的。”xEn拜客生活常识网


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LHCb在其他涉及底夸克的衰变中看到了类似的细微差异,对这种异常现象提供了支持;日本和美国的对撞机实验也看到了这种奇怪结果的迹象。这类工作是 LHCb的专长:它的探测器旨在详细研究含有重夸克的粒子的衰变,从而使实验能够收集可能影响这些粒子行为的现象的间接线索。CMS和ATLAS是更通用的实验,但那里的实验人员现在正在检查他们是否能发现更多对反常现象敏感的事件,瑞士苏黎世大学的实验粒子物理学家、CMS组织成员Florencia Canelli说。

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