物理学家首次通过大型强子对撞机实验窥见“仄米世界”
物理学家首次通过大型强子对撞机实验窥见“仄米世界”
一项对大型强子对撞机（LHC）数据的新分析，发现了一种极其罕见的粒子衰变，为进入这个领域及其背后的奥秘打开了大门。相关研究成果近日公布于预印本平台arXiv。
LHCb实验中的探测器。图片来源： CERN
粒子物理标准模型罗列了所有已知粒子及其相互作用方式，却无法解释占据宇宙绝大部分的暗物质和暗能量。因此，研究人员在粒子对撞机实验中寻找新粒子和新作用力的迹象。
近日，在欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中，Paula Collins和同事发现了涉及底夸克粒子的罕见衰变的首个证据，为这类搜寻打开了一个全新的世界。
“我们已经寻找它40多年了。”Collins说，“大家都欣喜若狂。”
底夸克粒子通常是在LHC的粒子碰撞中产生，但研究人员关注的是一个特定过程：一个底夸克被一个反底夸克（即它的反物质对应粒子）湮灭，湮灭产生另一对粒子和反粒子，类似电子的μ子和反μ子，这些粒子都可以被探测到。这一过程极其罕见，几十年来实验一直未能捕捉到它。
“按照目前的物理定律，这些极其罕见的衰变几乎不可能发生。”团队成员、英国剑桥大学的Harry Cliff说，“大约每百亿个底夸克粒子中，才有一个会发生这种情况。”
这一发现仍属初步结果，不确定性相对较大：显著性水平为3.2个标准差，而判定“发现”的金标准是5个标准差。这意味着实验中的信号是随机出现而非具有实际意义的概率约为0.3%。
Cliff表示，未来的实验有望降低这种不确定性，但数据已经表明，我们已经进入了“仄米世界”—— 一个尺度小到十万亿亿分之一米的世界，是迄今探测过的最小尺度。这个世界的未知“居民”可能会影响底夸克粒子衰变过程；由于这一过程极其罕见，一旦有变化，研究人员会立刻察觉到。因此，测量这一过程就像是在勘测“仄米世界”。
“团队竟然能够观测到这一极其罕见的事件，令人惊讶。”美国辛辛那提大学的Jure Zupan表示，这得益于LHCb团队近年来进行的技术升级。“这就像一台非常强大的显微镜，如今你能看到更短的距离，因为眼前没有雾气。”Zupan说。
英国伯明翰大学的Cristina Lazzeroni表示，这一过程不仅极其罕见，而且数学理论对它的预测也非常准确，因此研究它是对标准模型的一次特别重要的检验。
尽管新测量结果与标准模型相符，但美国劳伦斯伯克利国家实验室的Zoltan Ligeti表示，这并不意味着所有可能的新粒子都已被排除。在他看来，新测量结果表明，这类粒子的效应必然很小，但未必可以忽略不计，而LHCb未来可以进一步量化这一点。
不过，Cliff担心该团队研究的未来。去年，英国政府撤回了对一项计划中LHCb升级项目的资助。“我们正在急切地想办法，看看能否继续开展这类研究。”
相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2611.00230