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  • 欧洲核子研究中心,首次发现:比“上帝粒子”还罕见50倍的事件

    现代物理学对宇宙的运作有了很多了解,从庞大的星系到无限小的夸克和胶子,不一而足。尽管如此,一些重大谜团的答案,如暗物质的性质和引力的起源,仍然遥不可及。加州理工学院物理学家使用位于瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC),这是现有最大、最强大的粒子加速器,以及其紧凑µ子螺线管(CMS)实验,对非常罕见的事件进行了新观测,这可能有助于使物理学超越目前对世界的理解。

    欧洲核子研究中心,首次发现:比“上帝粒子”还罕见50倍的事件

    这项新的观测涉及同时产生三个W玻色子和Z玻色子,这是一种亚原子“介体粒子”,携带着弱力(已知的四种基本力之一),这是导致放射性现象的原因,也是太阳热核过程的重要组成部分。玻色子是一类粒子,它还包括组成光的光子;被认为负责赋予物质质量的希格斯玻色子;以及将原子核结合在一起的胶子。W玻色子和Z玻色子的相似之处在于它们都携带弱力,但不同之处在于Z玻色子不带电荷。

    欧洲核子研究中心,首次发现:比“上帝粒子”还罕见50倍的事件

    这些玻色子的存在,以及胶子和中微子等其他亚原子粒子的存在,都是由众所周知的粒子物理标准模型来解释。加州理工大学研究生张志才(MS‘18)是由Marvin L.Goldberger物理学教授Harvey Newman和陈尚义物理学教授Maria Spiropuu领导的高能物理研究团队成员,他与其他团队成员一起工作,是这次新观测的主要贡献者之一。产生三重玻色子的事件,发生在大型强子对撞机(LHC)环形路径上的几个点上。

    比上帝粒子罕见的三重态

    当被加速到接近光速的高能量质子束迎头相撞时,就会产生三重玻色子。当两个质子碰撞时,质子中的夸克和胶子被强迫分开,当发生这种情况时,W玻色子和Z玻色子就会突然出现;在非常罕见的情况下,它们会以三重态的形式出现:WWW,WWZ,WZZ和ZZZ。这种W玻色子和Z玻色子的三重态只在10万亿次质子-质子碰撞中产生。这些事件是用CMS记录的,CMS环绕着大型强子对撞机路径上的一个碰撞点。

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    这些事件比用来发现希格斯玻色子(上帝粒子)的事件要罕见50倍。由于大型强子对撞机产生了大量的碰撞,可以看到非常罕见的东西,比如这些玻色子的产生。W玻色子和Z玻色子有可能自我相互作用,允许W玻色子和Z玻色子产生更多的W玻色子和Z玻色子;这些可能会表现为具有两到三个大质量玻色子的事件。尽管如此,这种创造是罕见的,所以产生的玻色子越多,产生频率就越低。

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    两个大质量玻色子的产生,之前已经在大型强子对撞机上进行了高精度的观测和测量,创造这些玻色子并不是实验的具体目标。通过收集足够的数据,包括许多玻色子三重态事件和其他罕见事件,研究人员将能够以越来越高的精度测试标准模型的预测,并最终可能发现并能够研究它之外的新相互作用。通过观察星系的旋转和分布,我们知道一定有暗物质施加其引力性质的力的影响,但暗物质不符合标准模型。

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    它没有容纳暗粒子的空间,也不包括引力,而且它根本不能在大爆炸后最初时刻典型的早期宇宙能量尺度下运作。或许有一个比标准模型更根本,但还有待发现的理论。大型强子对撞机计划于2021~2024年进行的下一次为期三年的试验运行已经在准备中。在那次运行结束时,设备将进行升级,将其数据收集能力提高30倍,目前还有很多未实现的潜力。

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    研究人员已经收集了大量数据,在CMS和大型强子对撞机(LHC)进行重大升级后,预计收集的数据只有几个百分点,高亮度LHC计划从2027年开始运行10年,研究团队也才刚刚开始这个为期30年的物理计划。

    博科园|研究/来自:加州理工学院/欧洲核子研究中心

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