歐洲核子研究中心，首次發現：比「上帝粒子」還罕見50倍的事件
2020-06-27 博科園現代物理學對宇宙的運作有了很多了解，從龐大的星繫到無限小的夸克和膠子，不一而足。儘管如此，一些重大謎團的答案，如暗物質的性質和引力的起源，仍然遙不可及。加州理工學院物理學家使用位於瑞士日內瓦歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)，這是現有最大、最強大的粒子加速器，以及其緊湊µ子螺線管(CMS)實驗，對非常罕見的事件進行了新觀測，這可能有助於使物理學超越目前對世界的理解。
這項新的觀測涉及同時產生三個W玻色子和Z玻色子，這是一種亞原子「介體粒子」，攜帶著弱力（已知的四種基本力之一），這是導致放射性現象的原因，也是太陽熱核過程的重要組成部分。玻色子是一類粒子，它還包括組成光的光子；被認為負責賦予物質質量的希格斯玻色子；以及將原子核結合在一起的膠子。W玻色子和Z玻色子的相似之處在於它們都攜帶弱力，但不同之處在於Z玻色子不帶電荷。
這些玻色子的存在，以及膠子和中微子等其他亞原子粒子的存在，都是由眾所周知的粒子物理標準模型來解釋。加州理工大學研究生張志才(MS『18)是由Marvin L.Goldberger物理學教授Harvey Newman和陳尚義物理學教授Maria Spiropuu領導的高能物理研究團隊成員，他與其他團隊成員一起工作，是這次新觀測的主要貢獻者之一。產生三重玻色子的事件，發生在大型強子對撞機(LHC)環形路徑上的幾個點上。
比上帝粒子罕見的三重態
當被加速到接近光速的高能量質子束迎頭相撞時，就會產生三重玻色子。當兩個質子碰撞時，質子中的夸克和膠子被強迫分開，當發生這種情況時，W玻色子和Z玻色子就會突然出現；在非常罕見的情況下，它們會以三重態的形式出現：WWW，WWZ，WZZ和ZZZ。這種W玻色子和Z玻色子的三重態只在10萬億次質子-質子碰撞中產生。這些事件是用CMS記錄的，CMS環繞著大型強子對撞機路徑上的一個碰撞點。
這些事件比用來發現希格斯玻色子（上帝粒子）的事件要罕見50倍。由於大型強子對撞機產生了大量的碰撞，可以看到非常罕見的東西，比如這些玻色子的產生。W玻色子和Z玻色子有可能自我相互作用，允許W玻色子和Z玻色子產生更多的W玻色子和Z玻色子；這些可能會表現為具有兩到三個大質量玻色子的事件。儘管如此，這種創造是罕見的，所以產生的玻色子越多，產生頻率就越低。
兩個大質量玻色子的產生，之前已經在大型強子對撞機上進行了高精度的觀測和測量，創造這些玻色子並不是實驗的具體目標。通過收集足夠的數據，包括許多玻色子三重態事件和其他罕見事件，研究人員將能夠以越來越高的精度測試標準模型的預測，並最終可能發現並能夠研究它之外的新相互作用。通過觀察星系的旋轉和分布，我們知道一定有暗物質施加其引力性質的力的影響，但暗物質不符合標準模型。
它沒有容納暗粒子的空間，也不包括引力，而且它根本不能在大爆炸後最初時刻典型的早期宇宙能量尺度下運作。或許有一個比標準模型更根本，但還有待發現的理論。大型強子對撞機計劃於2021~2024年進行的下一次為期三年的試驗運行已經在準備中。在那次運行結束時，設備將進行升級，將其數據收集能力提高30倍，目前還有很多未實現的潛力。
研究人員已經收集了大量數據，在CMS和大型強子對撞機(LHC)進行重大升級後，預計收集的數據只有幾個百分點，高亮度LHC計劃從2027年開始運行10年，研究團隊也才剛剛開始這個為期30年的物理計劃。
博科園｜研究/來自：加州理工學院/歐洲核子研究中心
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