罕見!世界最大粒子加速器創造了世界最重粒子的「四胞胎」

2020-12-16 騰訊網

世界上最大的原子加速器創造出了一組四個超重粒子——被稱為頂夸克。

在瑞士日內瓦的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)上，這些胖乎乎但又很小的四胞胎的形成早就被主導亞原子相互作用的主流物理理論「標準模型」(Standard Model)所預測。

但新的物理理論表明，它們可能比標準模型預測的更經常被創造出來。

找到更多這樣的四胞胎是檢驗這些理論的第一步。

這項新發現是在LHCP 2020會議上公布的。

根據2019年發表在《Physical Review D》雜誌上的一項研究，頂夸克是已知的最重的粒子。每個頂夸克的質量大約相當於一個鎢原子。

然而，每個頂夸克都比一個質子小得多，這意味著頂夸克不僅保持著最重粒子的記錄，它們也是已知的最密集的質量形式。

雖然頂夸克在大爆炸後最早的瞬間大量產生，但它們的壽命很短，在大約一萬億分之一秒內完全消失。

如今，唯一能產生和觀測頂夸克的地方是在大型粒子加速器中。

頂級夸克最早是在1995年使用費米實驗室的Tevatron粒子加速器發現的。費米實驗室位於芝加哥郊外，是當時最強大的粒子加速器，現已退役。

2011年，大型強子對撞機(LHC)假定地幔是世界上最強大的粒子加速器。

大型強子對撞機——近10000個強大的磁鐵環排列在一個圓的周長上，約16.5英裡(27公裡)——使兩束質子朝相反方向加速，使它們以13萬億電子伏的能量相互碰撞，或者是費米實驗室的萬億電子伏對撞機能量的6.5倍。

1995年，費米實驗室的萬億電子伏對撞機的光束碰撞產生了頂夸克和反物質夸克對，但這些碰撞每隔幾天才產生一次。

相比之下，在大型強子對撞機的超環面儀實驗(ATLAS)和緊湊μ子線圈(CMS)實驗中，更高的能量和更高的碰撞率大約每秒產生一對頂夸克。

在最近的實驗中，研究人員正在尋找同時產生兩組頂夸克/反夸克對的現象。

根據ATLAS團隊的說法，標準模型預測這些更複雜的碰撞發生的頻率應該是產生一對碰撞的7萬倍。

在尋找新粒子的時候，重要的是要知道觀察到的碰撞次數偶然發生的可能性有多大，這可以用結果的「西格瑪」來量化。

在粒子物理學中，宣布一項發現的黃金標準是5或更高的西格瑪，這意味著目前的觀測結果是由隨機波動引起的概率約為350萬分之一。

西格瑪為3意味著在740次實驗中有1次觀測到的信號是偶然發生的，根據費米實驗室，它被認為是觀測的「證據」。

關於頂夸克產生四聯體的證據還不足以宣布一項新發現。

2015年至2018年，物理學家在ATLAS和CMS收集的數據中尋找頂夸克四聯體。

ATLAS實驗團隊宣布，他們已經看到了4個頂夸克的產生，西格瑪為4.3。

與此同時，在歐洲物理雜誌C上發表的一篇論文中，CMS實驗的研究人員報告稱，他們的四夸克的西格瑪值僅為2.6。

在進行實驗之前，ATLAS和CMS都預期顯著性在2.6西格瑪左右。

ATLAS看到的高顯著性可能只是偶然。

或者，這可能是一個跡象，四個頂夸克的產生比標準模型預測的更普遍，這可能意味著這個測量是一些新的和意想不到的物理學的第一個提示。

研究人員在一份聲明中說:「來自下一次大型強子對撞機運行的額外數據——以及所使用的分析技術的進一步發展——將提高這一具有挑戰性測量的精度。」

自2018年底以來，LHC已經暫時關閉，用於翻新、升級和維護。預計將於2021年恢復運營，但目前尚不清楚COVID-19大流行是否會影響該計劃。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://www.livescience.com/four-top-quarks-large-hadron-collider.html

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