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罕见!世界最大粒子加速器创造了世界最重粒子的“四胞胎”

Winnie Lee

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世界上最大的原子加速器创造出了一组四个超重粒子——被称为顶夸克。

在瑞士日内瓦的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)上,这些胖乎乎但又很小的四胞胎的形成早就被主导亚原子相互作用的主流物理理论“标准模型”(Standard Model)所预测。

但新的物理理论表明,它们可能比标准模型预测的更经常被创造出来。

找到更多这样的四胞胎是检验这些理论的第一步。

这项新发现是在LHCP 2020会议上公布的。

根据2019年发表在《Physical Review D》杂志上的一项研究,顶夸克是已知的最重的粒子。每个顶夸克的质量大约相当于一个钨原子。

然而,每个顶夸克都比一个质子小得多,这意味着顶夸克不仅保持着最重粒子的记录,它们也是已知的最密集的质量形式。

虽然顶夸克在大爆炸后最早的瞬间大量产生,但它们的寿命很短,在大约一万亿分之一秒内完全消失。

如今,唯一能产生和观测顶夸克的地方是在大型粒子加速器中。

顶级夸克最早是在1995年使用费米实验室的Tevatron粒子加速器发现的。费米实验室位于芝加哥郊外,是当时最强大的粒子加速器,现已退役。

2011年,大型强子对撞机(LHC)假定地幔是世界上最强大的粒子加速器。

大型强子对撞机——近10000个强大的磁铁环排列在一个圆的周长上,约16.5英里(27公里)——使两束质子朝相反方向加速,使它们以13万亿电子伏的能量相互碰撞,或者是费米实验室的万亿电子伏对撞机能量的6.5倍。

1995年,费米实验室的万亿电子伏对撞机的光束碰撞产生了顶夸克和反物质夸克对,但这些碰撞每隔几天才产生一次。

相比之下,在大型强子对撞机的超环面仪实验(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)实验中,更高的能量和更高的碰撞率大约每秒产生一对顶夸克。

在最近的实验中,研究人员正在寻找同时产生两组顶夸克/反夸克对的现象。

根据ATLAS团队的说法,标准模型预测这些更复杂的碰撞发生的频率应该是产生一对碰撞的7万倍。

在寻找新粒子的时候,重要的是要知道观察到的碰撞次数偶然发生的可能性有多大,这可以用结果的“西格玛”来量化。

在粒子物理学中,宣布一项发现的黄金标准是5或更高的西格玛,这意味着目前的观测结果是由随机波动引起的概率约为350万分之一。

西格玛为3意味着在740次实验中有1次观测到的信号是偶然发生的,根据费米实验室,它被认为是观测的“证据”。

关于顶夸克产生四联体的证据还不足以宣布一项新发现。

2015年至2018年,物理学家在ATLAS和CMS收集的数据中寻找顶夸克四联体。

ATLAS实验团队宣布,他们已经看到了4个顶夸克的产生,西格玛为4.3。

与此同时,在欧洲物理杂志C上发表的一篇论文中,CMS实验的研究人员报告称,他们的四夸克的西格玛值仅为2.6。

在进行实验之前,ATLAS和CMS都预期显著性在2.6西格玛左右。

ATLAS看到的高显著性可能只是偶然。

或者,这可能是一个迹象,四个顶夸克的产生比标准模型预测的更普遍,这可能意味着这个测量是一些新的和意想不到的物理学的第一个提示。

研究人员在一份声明中说:“来自下一次大型强子对撞机运行的额外数据——以及所使用的分析技术的进一步发展——将提高这一具有挑战性测量的精度。”

自2018年底以来,LHC已经暂时关闭,用于翻新、升级和维护。预计将于2021年恢复运营,但目前尚不清楚COVID-19大流行是否会影响该计划。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源:

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


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