又一發現:首次觀測到輕子衰,或將揭示標準模型之外的新物理學!

2020-12-03 博科園
博科園:本文為粒子物理學類

來自北京光譜儀III合作,一個由來自世界各地大學進行粒子物理研究的大型研究人員組成的團隊,現在報告了首次觀測到輕子衰變D+→τ+ντ,這一觀察結果發表在《物理評論快報》上,為在D衰變中進一步測試mu/tau普適性開闢了可能性。在這項研究之前,只有一個與相同輕子衰變相關的實驗結果,是由另一組稱為CLEO協作的研究人員收集。

然而,CLEO的合作並沒有觀察到D+→τ+ντ的信號。只能設定一個上限,這個上限只比標準模型對這種衰變速率的預測大20%。在新研究中,北京光譜儀III(BESIII)的合作小組開始進一步研究這種衰變,希望大量數據樣本將使新的發現成為可能。

研究團隊認識到,零結果同樣或更令人興奮,因為它可能揭示標準模型之外的新物理。然而,存在重大挑戰,即使數據樣本是CLEO的3.6倍,也需要更好地理解背景過程和對實驗系統學的控制。研究人員在Psi(3770)共振能量下使用BEPCII正負電子對撞機中:

正電子湮沒產生了原始的事件樣品,每個樣品只有一個D+和一個D-介子。研究人員選擇了D-被完全重建的事件,並測試其餘事件是否與D+→τ+ντ一致,後者只貢獻一個帶電粒子。領導這項研究的明尼蘇達大學研究員Hajime Muramatsu博士說:即使在乾淨的北京光譜儀III環境中,這個簡單的信號,也有可能淹沒信號的高速率背景過程。抑制其中最大的兩個,D+->pi+pi0和D+->pi+K_L,是科學家在設計測量時最關心的問題。

當這些過程不完全或不正確地重建時,它們可能被誤認為我們的信號,為了分析,研究人員提出了兩種新的背景抑制工具。北京光譜儀III合作設計的兩種背景抑制工具之一,需要消除丟失動量點在有源探測器外部的事件,以避免將逃逸粒子誤認為無法檢測到的中微子。丟失的動量是根據湮沒電子和正電子的性質,以及檢測到的末態粒子來計算。另一方面,研究人員設計的第二個工具,根據探測器電磁量熱計產生的額外能量沉積,通過拒絕背景事件來工作。

這一特殊要求有效地接收信號事件,對於這些事件,唯一額外的粒子是穿透探測器而不留下痕跡的中微子。北京光譜儀III合作對輕子衰變D+→τ+ντ的觀測,填補了粒子物理標準模型中的一個重要空白,使得能夠對該模型進行新的測試。標準模型的一個關鍵特徵是「輕子普適性」,它要求電子、子和tau在所有相互作用中的行為幾乎完全相同。參與這項研究的明尼蘇達大學研究員羅恩·波林(Ron Poling)教授表示:對B介子衰變的測量表明,可能違反了輕子普適性。

這使得對介子D和D進行測試變得更加有趣。有許多關於Ds+->tau+nu的結果有些分散,但與標準模型預測基本一致。由於以前從未見過D+->tau+nu,本研究提供了第一次機會來測試D衰變中mu/tau的普遍性。研究表明,在實驗不確定性範圍內,輕子衰變D+→τ+ντ速率符合理論預期,從而增強了對標準模型的信心。根據~3/fb e+e湮沒數據收集的D+→τ+ντ的第一次測量,在統計上是有限的(即,衰變率和輕子普適性檢驗的相對統計不確定性為20%)。

將來,更大的數據集和額外統計數據可以為更具體的測量鋪平道路。北京光譜儀III發言人袁昌正教授時表示:北京光譜儀III和北京光譜儀II計劃在不久的將來獲取更多數據,並升級加速器和探測器的能力,我們已經提議在未來收集20/fb的psi(3770)數據,將D+->tau+nu測量的相對統計誤差降低到8%以下。北京光譜儀III還將使用這個和其他能量的大量數據樣本來完善對Ds介子類似衰變的理解,並擴展對介子、重子和其他狀態的許多其他研究。

博科園|Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.211802博科園|科學、科技、科研、科普

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