作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/27 8:28:31
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粒子物理标准模型再获成功!他们发现玻色子新“宝藏”

 

大型强子对撞机紧凑缪子线圈探测器。图片来源:David Parker/SPL

■本报记者 韩扬眉

一群“麦哲伦”式的实验物理学家正在高能物理的版图上开疆拓土。而玻色子的发现,正在指向新的“盛宴”。

近日,《自然》“研究亮点”栏目报道了北京大学物理学院技术物理系教授冒亚军、李强领导的研究团队的最新成果——他们首次观测到双W玻色子与光子(WWγ)这一新型的三玻色子联合产生过程。相关成果日前发表于《物理评论快报》,并被选为编辑推荐论文。

“玻色子三重态的产生是罕见的事件,是粒子物理标准模型的又一次成功。任何与标准模型预测的差异都可能暗示未知粒子的存在。” 《自然》评价称。

是否存在关乎标准模型

数十亿次“碰撞”才获得250次发现,这注定是一次艰难的探索。

在粒子物理标准模型中,无质量的光子(γ)传播长程的电磁相互作用,而重质量的W和Z玻色子传播短程的弱相互作用。精确测量多玻色子特别是三玻色子联合产生过程,是目前高能物理领域的前沿热点之一。

在基本粒子中,玻色子是一种“媒介”基本粒子。基本粒子之间存在4种基本的相互作用:引力、电磁力、强力和弱力。每种相互作用都是由某一种媒介粒子传递的,它们被称为玻色子。在标准模型里,W玻色子是一种传递弱力的媒介粒子。

1983年,W玻色子首次被欧洲核子研究中心发现,后来被证明主要参与一些最常见的核衰变过程。这是粒子物理标准模型的一大胜利。

然而,W玻色子的质量很重,约是质子的85倍,实验中通常很难被发现。正因如此,只有通过大型强子对撞机这样的高能量装置才有可能“撞”出1个,而要想“撞”出3个,难如海底捞针。

经过40多年的发展,关于玻色子的研究不断拓展。在标准模型中,理论已预言了三玻色子的联合产生机制。

“如果这个机制未经验证,可能意味着标准模型存在某些问题,也可能暗示着新物理现象的存在。”该研究的主要贡献者之一、北京大学物理学院博士生关喆告诉《中国科学报》,验证三玻色子的存在及其与标准模型的关系非常重要。

数十亿次碰撞

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器,有“上帝粒子”之称的希格斯粒子、新强子态“奇异的五夸克”等均在此被发现。它的数据牵动着全球物理学家的心。

多年来,李强团队紧密追踪大型强子对撞机紧凑缪子线圈探测器,在数据“沙漠”里寻找若隐若现的“宝藏”。

终于,他们在2016年至2018年间所收集的数十亿次13TeV质子-质子对撞数据中,以5.6倍标准偏差的统计置信度,首次观测到双W玻色子与光子(WWγ)这一新型的玻色子三重态产生过程。

李强解释,5.6倍标准偏差是与假设不存在三玻色子过程的情况(即空假设)相比,这也意味着数据支持三玻色子过程的存在。

三重玻色子是如何产生的?

大型强子对撞机紧凑缪子线圈探测器详细记录了这一过程——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。而在非常罕见的情况下,它们会以三重态的形式出现。

有多“罕见”?这一事件发生的概率仅为发现希格斯玻色子概率的1/50。

更多带来不同

既然过程如此艰难又如此罕见,科学家为何要执着于碰撞出更多的玻色子?

“More is different(更多带来不同)”,李强引用诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森的著名宣言回答,越是基本物质,越要多样,这样才有发现更多“宝藏”的可能。

“宝藏”蕴含在差异中。

标准模型是粒子物理学中一套描述基本粒子的理论模型。目前,几乎所有的电磁力、强力和弱力3种力的实验结果都合乎这套理论的预测。它虽然是目前最成功的一套理论模型,但宇宙中仍然有许多标准模型解释不了的问题。这意味着它并不是“终极”理论,而任何与标准模型预测的差异都可能暗示未知粒子的存在。

数十年来,全球高能物理界既视粒子物理标准模型为珍宝,也视其为挑战——有时,科学家们想舍弃它,寻找超出标准模型预言的“新”物理现象。

“新”标准模型是否存在?茫茫大海上,无数“航海家”“千帆竞发”,但驶向不同的方向。

李强是其中之一,他的航向是很少人去的偏远之地——玻色子,目前国际上只有少数团队从事相关研究。自2010年以来,他和北京大学高能物理实验组的同事们致力于高能对撞机上的多玻色子物理研究,取得了大量有开创性贡献的成果。

2022年,他们在世界上首次发现了三W玻色子共振态,此项研究开辟了茫茫大海上的新航线。

李强表示,高能物理确实处在比较艰难的时期,“在人迹罕至的地方探险,虽然有着未知和挑战,但也有着新发现的可能性”。

李强期待着玻色子给高能物理带来新的“盛宴”。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.121901

《中国科学报》 (2024-03-27 第1版 要闻)

(原标题:粒子物理标准模型再获成功 数十亿次碰撞中发现玻色子新“宝藏”)

 
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