LHC或首次造出頂夸克「四胞胎」

2020-12-03 環球網

本文轉自【科技日報】;

科技日報北京6月16日電 (記者劉霞)據美國趣味科學網站近日報導,科學家表示,世界上最大的原子對撞機——大型強子對撞機(LHC)或許已經首次製造出頂夸克「四胞胎」,如獲證實,有望揭示新的物理學理論。

粒子物理學標準模型允許頂夸克「四胞胎」的存在,但新物理學理論預測,它們被LHC製造出來的概率可能遠高於標準模型的預言,而找到更多此類「四胞胎」是檢驗這些新理論的第一步。

頂夸克是迄今已知最重的基本粒子:一個頂夸克的「體重」與一個鎢原子相當,但其「塊頭」比質子小很多,這意味著頂夸克不僅是迄今已知最重的粒子,也是迄今已知密度最大的質量形式。

儘管宇宙大爆炸發生後瞬間會產生大量頂夸克,但它們在10-24秒內就會完全消失,大型粒子加速器是現在唯一可以製造出並觀察到頂夸克的地方。

1995年,費米實驗室科學家藉助當時最強大的粒子加速器「萬億電子伏特粒子加速器」(Tevatron)首次發現頂夸克。在Tevatron內發生的質子-反質子束碰撞製造出了一對正反頂夸克,但這些碰撞每隔幾天才製造出一對此類夸克。相較而言,在LHC的超環面儀器實驗(ATLAS)和緊湊繆子線圈實驗(CMS)發生的碰撞中大約每秒就產生一對頂夸克。

在最新研究中,物理學家公布了在ATLAS和CMS實驗2015—2018年間採集的數據中搜尋「四胞胎」的結果。ATLAS團隊宣布,他們觀察到「四胞胎」「誕生」的置信度為4.3西格瑪;CMS團隊則稱觀察到「四胞胎」「誕生」的置信度僅為2.6西格瑪。在粒子物理學中,宣布一項研究為「新發現」的黃金標準是置信度達到或超過5西格瑪,因此,這兩個團隊得到的結果尚不足以被稱為新發現。

研究人員稱,目前而言,ATLAS看到的結果可能只是偶然;也可能表明「四胞胎」誕生的機率比標準模型預測得更大;或許這正是某些新物理學的「蛛絲馬跡」,「LHC下一輪提供的數據,以及未來可能會出現的更優異的分析技術,將提高這種測量的精度」。

據悉,LHC已於2018年底暫時關閉,開展升級和維護,計劃於2021年重啟。

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    CMS物理學家首次研究了頂夸克質量「運行」的效應,這是標準模型預測的一種基本量子效應。質量是基礎物理中最複雜的概念之一,經歷了漫長的概念發展歷史。質量最初在經典力學中被理解為慣性的量度,後來在狹義相對論中被解釋為能量的一種形式。
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    根據2019年發表的一項研究,頂級夸克是已知最重的基本亞原子粒子。每個頂夸克是大致為塊狀作為原子的鎢。但是,每個頂夸克都比質子小得多,這意味著頂夸克不僅保持了最重粒子的記錄,而且還是已知密度最大的質量形式。大爆炸在大爆炸之後的最早時間內大量產生,但它們的壽命很短,大約在一萬億分之一秒內完全消失。
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    博科園:本文為粒子物理學類2018年歐洲核子研究中心(CERN)ATLAS和CMS合作項目宣布,觀測到希格斯玻色子與一個名為「ttH」的頂夸克對產生這個結果是第一次觀察到希格斯玻色子與夸克的耦合,緊隨其後的是對希格斯玻色子衰變為底夸克的觀察。由於只有大約1%的希格斯玻色子是由大型強子對撞機(LHC)頂夸克對產生的,因此實現這一觀測尤其具有挑戰性!並由ATLAS Experiment 2019年4月9日公布。
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    夸克(quark)是一種基本粒子,是構成物質的基本單元。夸克有六種「味」,分別是上、下、粲、奇、底及頂。頂夸克屬於費米子中的第三代夸克,也是已知最重的基本粒子。夸克幾乎總是衰變成b夸克和W玻色子。後者進一步衰減為輕子或夸克,可以被檢測到並形成所謂的「最終狀態」。如下圖所示頂夸克衰減到其它粒子的過程,每個粒子的平均衰減時間顯示在x軸上。
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    根據物理學標準模型,夸克有六種,分別是上(up)、下(down)、奇(strange)、粲(charm)、底(bottom)及頂(top),每種夸克還都會有個雙胞胎——反夸克粒子,比如c夸克的反粒子為。你可以把它們想像成六個口味的夸克冰激凌球。事實上,正是蓋爾曼和弗裡奇在冰激凌店聊天時,受到不同口味的冰激凌啟發,才想到引入「味道」來區分不同的夸克。