大型強子對撞機發現違反標準物理學模型的粒子

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輕子

藉由歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機 (LHC) 的協助,一個國際研究小組找到了數十年來物理學家一直在尋找的證據,違反標準模型(Standard Model)的次原子粒子(subatomic particles)的活動。在粒子物理學裡,標準模型是目前為止解釋粒子的行為和互動最好的理論;然而,這理論是不完整的因為它不考慮重力。透過使用大型強子對撞機,研究人員希望能觀察到違反粒子物理學標準規則的情況。

這群物理學家研究這台大型強子對撞機2011-2012年第一次運轉時所收集到數據該次運轉因發現希格斯玻色子而聲名大噪)發現到他們所尋找的輕子(Leptons)違反標準模型的證據:輕子是由一群包含濤子(tau)、電子(electron)、渺子(muon)等三種不同物質的次原子粒子所組成。電子是非常穩定,而濤子和渺子衰退速度飛快。

輕子leptons

在新的研究中,研究人員綜合找尋B 介子(B mesons)衰變成如濤子和渺子等更輕粒子的證據。標準模型認為所有輕子都應該被視為基本力,一種稱為"輕子普適性(lepton universality )"的概念。這意味著濤子和渺子應以相同速度衰變,一旦質量被考慮進去。但該團隊發現了儘管非常微小但可觀察到的衰變數度差異,這表示可能存在有未知的力量或干擾衰變速度的粒子。

“標準模型認為,這個世界以相通的方式和所有輕子互動。這世界是很民主的,但沒人能保證,如果我們發現新的粒子或新的力量,這樣的說法不一定會是正確的。”其中一位主要研究員、來自美國馬里蘭大學的桑‧賈瓦赫裡在在一份聲明中說。”標準模型將輕子普適性奉為圭臬。如果這種普遍性被打破的話,我們可以說我們找到了非標準物理的證據。”

這些結果輔助了2012年在史丹佛大學國家加速器實驗室所進行的BaBar實驗所得到的相似結果。BaBar實驗也是專注在 B 介子的衰變;然而,大型強子對撞機是將質子撞碎在一起,SLAC的實驗主要使用碰撞電子。儘管實驗方法不同,重點在於這兩個實驗有相似的結果,暗示著在物理學上為真。

標準模型

進一步的實驗以確認認這些最新的結果是必要的。在今年四月, LHC在經歷兩年的間隙升級後重新運作。自從LHC重新上線後,研究人員已經觀察到破記錄的能量等級,而且研究小組有信心他們將有較好的機會,可以觀察更多的挑戰標準模型的粒子活動、與這些發現相符的粒子行為。

“我們正在計劃多種其他測量。 LHCb實驗目前在第二個運轉期間收集到更多資料,” Jawahery在一份聲明中表示。”這裡的任何知識都能幫助我們學到宇宙是如何演進到現今的狀態。舉例來說,我們知道暗物質(dark matter)和暗能量(dark energy)的存在,但是我們尚未知道他們是什麼或者該如何解釋他們。我們的實驗結果可能是那謎題的一部份 […] 如果我們能證明有標準模型之外的不明的粒子和互動,就能夠找出完整的面貌。”

暗能量

這些發現將刊登於九月四號出刊的物理評論(Physical Review Letters)。
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來源: Iflscience