标准模型的新挑战

 
标准模型的新挑战
2015-09-29 15:25:37 /故事大全

德国人有一句谚语:“只发生一次的事情就像什么都没有发生过一样。”

这句话放在高能物理学领域也不错,在高能粒子对撞实验中,物理学家们有时会观测到反常的结果,仅有一次的孤例并不能引起人们太多的关注。但是,如果一种反常情况接二连三地出现,就一定会引发关注,物理学家们也会开始对此进行各种假设——尽管在目前来看,发现新物理学的可能还是微乎其微。

这一次的反常状况出现在B介子(B meson)的衰变过程中,而它所针对的,正是涵盖了“几乎所有的理论”(theory of almost everything)——标准模型(Standard Model)。粒子物理学家们对于标准模型的感情是复杂的,自从2012年在瑞士日内瓦地下的大型重子对撞机(LHC)发现了希格斯波色子,这个包含了大部分基本粒子及其行为方式的宏伟模型宣告完成,这是一栋辉煌而又充满着危机的物理学大厦,在它完成之日,粒子物理学家们就开始思考如何才能摧毁它。因为人们明白,这座看起来完美的物理学大厦是不完整的,它并没有涵盖所有的基本粒子,也不能解释所有物理学现象。在标准模型的范围内包含强相互作用,弱相互作用以及电磁相互作用,但是不包括引力作用,更没有涉及目前最令人困惑的暗物质和暗能量的内容。但就是这样一个并不完善的模型,却一直显示出强大的威力,指引着粒子物理学家们的工作,目前在世界上各个粒子对撞机内进行的几乎所有高能粒子对撞实验,结果都符合标准模型的预测。

人们明知道标准模型不完美的,但是它看起来却一直都是这么完美。正是出于这个原因,粒子物理学家们多年来一直都希望能够找到突破标准模型限制的机会,因此今年在瑞士和日本的两个粒子对撞实验结果才显得格外引人注目——它们得到的结果并不符合标准模型的预测,而且这与2012年的另外一次对撞结果相类似。

在瑞士的大型重子对撞机进行的LHCb试验项目,使质子在接近光速的状态下进行相互对撞,而在日本高能加速器研究机构(High Energy Accelerator Research Organization)进行的Belle试验,是利用电子和它的反物质正电子进行高能对撞。在这两个实验中,都会产生出B介子,而后B介子发生衰变,继而产生出轻子(lepton)。在这两组截然不同的实验中,实验人员都观测到了类似的现象:B介子衰变所产生的轻子中,某一类轻子超出了其他轻子,这个现象超出了标准模型的预测,无法利用任何目前已知的物理学理论进行解释,也就难免引起人们的极大关注。

在标准模型的框架中,轻子分为三“代”(generation),分别为电子和电子中微子,muon粒子和muon中微子,以及tau和tau中微子。根据标准模型的描述,在B介子发生衰变的最终产物中,应该产生等量的电子,muon粒子以及tau粒子。但是LHCb实验的质子对撞实验结果显示,在B介子衰变的最终产物中。tau粒子的数量比标准模型的预测多出了25%到30%,而在Belle实验中,正负电子对撞所产生的B介子的衰变最终产物也出现了更多的tau粒子(虽然没有LHCb实验中所占的比重高)。在这两个实验项目工作的科学家们交流之后,分别在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志和《物理评论D》(Physical Review D)杂志发表论文,报告了这个结果。

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