星光闪亮图书馆 / 物理 / 如果CERN发现了新粒子意味着什么?

分享

   

如果CERN发现了新粒子意味着什么?

2017-06-25  星光闪亮...


欧洲核子中心(CERN)的鸟瞰图。(? Maximilien Brice)


在上个世纪的60年代和70年代,物理学家的主要任务是寻找粒子标准模型的基本粒子。我们知道,原子并不是不可继续分割的,在原子的内部是亚原子,即基本粒子,包括电子、夸克和胶子。此外,随着时间的流逝,物理学家又发现了一系列粒子:


  • 六种夸克和它们相应的反粒子(即反夸克),每一种夸克都有三种色;

  • 三种带电轻子和三种中性、低质量的中微子,它们各自又有其反粒子;

  • 以及玻色子:光子(传递电磁力),八种胶子(传递强核力),和W+、W-和Z(传递弱力),外加上帝的粒子——希格斯玻色子。



标准模型成员:夸克(Quarks),轻子(Leptons),反夸克(Anti-Quarks),反轻子(Anti-Leptons)和玻色子。? E.Siegel)


在标准模型建立之初,花了大约50年的时间物理学家才找到了所有的粒子。标准模型最伟大的胜利就发生在2012年,当CERN的大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子的时候。难道故事就这么结束了?我们已经找到所有的基本粒子了吗?并不是,在标准模型庆祝其伟大的胜利之时,紧随而来的是一系列其它的谜题,这些谜题又需要有一些新粒子的存在以解释我们所观测到的物理。这些谜题包括:


  • 暗物质:事实上,宇宙中有80% - 85%的质量是未知的,这些都不包括在标准模型之中。

  • 中微子的质量:标准模型预测中微子应该是没有质量的,但是它们都有非常小的质量,比电子轻百万倍,这就需要一个新的粒子来解释它们的存在。

  • 物质与反物质不对称:我们现在所观测到的宇宙物质远远多过于反物质,而从理论上讲,它们在宇宙诞生之初应该拥有等同数目。这样的一种不对称单单用已知的例子和相互作用是无法解释的,我们需要新的物理——新粒子和相互作用——来解释我们的宇宙为何是现在这个样子的。



一个可能的新粒子集,可以导致物质与反物质不对称。(? E.Siegel)


根据这些谜题,物理学家已经提出了很多不同的方案来解释这些现象,这些包括引进新的粒子。但是只有少数几个是非常有趣的,并且为大多数物理学家所追捧,包括超对称和额外维度。为什么这两个概念能够在众多理论中脱颖而出?因为如果他们正确,我们就应该会发现很多不包括在标准模型中的基本粒子,而这些粒子应该被LHC所发现!


举个例子,超对称预言了至少应该存在一个(在大多数模型中,共有四个)跟希格斯玻色子相似的粒子,并且是质量较大的。要发现像这样的一个粒子,科学家必须在所有能量上计算已知粒子在不同衰变途径中的预期贡献是什么。这些不同的衰变途径包括两个光子,两个带电轻子,一个W+和W-玻色子等等。然后再通过实验观测找出不同之处。



左边是标准模型中的粒子,右边是超对称中的粒子。


如果你在实验中观测到一处强烈的不同,这就意味着我们发现了一个新的例子。在过去,这也是我们如何发现Z粒子,顶夸克和希格斯玻色子。举个例子,在大型正负电子对撞机(LEP)中,电子和正电子相向加速到大约45GeV的能量。这个能量相当于传播弱相互作用的中性Z矢量玻色子质量的一办,因此Z玻色子可以在正负电子交汇的湮灭点产生。就像Z可以通过电子和正电子形成,它可以衰变成这些粒子。Z粒子的产生截面会在能够形成Z粒子的能量点附近形成共振峰,这也就是我们上面说的不同之处。共振峰的宽度是该粒子衰变几率的一个量度。下图是收集了LEP和斯坦福线性对撞机(SLC)的数据,可以看到明显的Z粒子共振峰:



Z玻色子共振峰。(? http://arxiv.org/abs/hep-ex/0509008


去年12月,LHC的ATLAS团队宣布看到了一些证据(还不足以说是发现),在750GeV能量处或许产生了新的粒子,大约是希格斯玻色子质量的五倍。他们宣称这或许是另一个自旋为0的粒子,意味着它可能是另一个希格斯粒子!而另一个团队CMS看到了非常相似的情况,尽管他们的发现更像是一个自旋为2的粒子。


直到上个星期为止,ATLAS和CMS比对了他们现有的数据:




相比去年12年,标准误差(σ)有了相对的提高,记住,如果标准误差达到5个标准差的时候,我们就可以肯定发现了新粒子。是不是开始兴奋了?先不要高兴的太早,在最后确定之前这一切都可能只是空欢喜一场。当然,在750GeV能量范围肯定有一些可疑的事情,但是目前在统计上还是非常限制的。当我们收集越来越多以及更加精确的数据时,这一切最后都可能仅仅是数据涨落,并没有什么实际意义,在历史上有很多这样的例子。


但是我们很快就能知道答案了。LHC在五月将重新以最高的能量和最大的亮度(也就是每秒碰撞的最大数量)运行,在仲夏的时候我们应该能够知道750GeV到底是一个货真价实的新粒子,或者仅仅是一个数据涨落。如果是新的粒子,也就意味着我们首次发现了超越标准模型的粒子,一个新的物理时代就将正式到来。但是,如果只是涨落,我们就有重新审视现有的理论模型。大自然的奥秘或许比物理学家想象中的更难以捉摸。


如果你想更进一步的了解标准模型的话查看《这个是电子,那个是光子.....》,以及在该文文末中列出的系列文章。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多