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欧洲核子研究组织:实验发现了可能导致新物理学的首个证据
2020/8/4 4:53:46 | 浏览:72 | 评论:0

    欧洲核子研究中心(CERN)的科学家团队,首次实验发现了超稀有过程((ultra-rare processes ))的首个证据,这可能会导致新的物理学并为其理论预测过程提供重要证据,这为寻找可以解释暗物质和宇宙其他奥秘的粒子过程中新物理学的证据铺平了道路。

    欧洲核子研究中心NA62合作项目由英国科学技术设施理事会(STFC)资助,由众多英国科学家参与,在布拉格2020年会议上展示了该物质超稀有衰变的首个重要实验证据。带电的钾离子变成带电的介子和两个中微子(即K+→π+νν)。

欧洲核子研究组织:实验发现了可能导致新物理学的首个证据

如图所示NA62实验的长度为270米,包括一个120米长的真空罐,如此处所示,其中装有几个粒子探测器。值得注意的是实验轴是一条直线,水箱的弯曲是照片的光学效果。

    衰减过程在前沿的物理学的研究中非常重要,因为它对偏离理论预测的结果非常敏感。这意味着对于寻求证据支持粒子物理学中的替代理论模型的物理学家来说,这是最有趣的观察之一。

    STFC的粒子物理学家兼执行主席、Mark Thomson教授说,这是令人振奋的进步,因为结果表明,对这一过程的精确测量可以超越1970年代开发的粒子物理学标准模型,从而带来新的物理学。

    “标准模型描述了宇宙的基本力和基本组成部分。这是一个非常成功的理论,但是标准模型没有解释宇宙的一些奥秘,例如暗物质的性质和宇宙起源,以及宇宙中物质与反物质的不平衡。

    “物理学家一直在寻找对标准模型的理论扩展。超稀有过程的测量为探索这些可能性提供了令人兴奋的途径,希望发现标准模型之外的新物理学。”

    这项研究的英国参与者来自伯明翰,布里斯托尔,格拉斯哥和兰开斯特大学,由英国研究与创新机构STFC以及英国皇家学会和欧洲研究理事会(ERC)资助。

欧洲核子研究组织:实验发现了可能导致新物理学的首个证据

如图所示历史预测(红色区域)和实验极限(黑色三角形)的历史发展。蓝色有3种测量值:第一种是来自美国的实验。以下两个是来自NA62的较早数据以及此测量结果。可以清楚地看到电流测量精度的提高。

    NA62实验的设计和构建具有重大贡献,特别是用于测量由欧洲核子研究中心加速器复合体提供的独特高强度质子束产生的钾离子,以测量这些超稀有的钾离子衰变。通过将来自超级质子同步加速器(SPS)的高能质子碰撞到静止的铍靶中来创建这些钾离子。这会形成一束次级粒子,每秒包含并传播近十亿个粒子,其中约6%为钾。NA62的主要目的是精确测量带电的钾离子如何衰变为π介子(pion)和中微子-反中微子对。英国科学家团队在K+→π+νν衰减分析中发挥了重要作用。

    伯明翰大学粒子物理学家、NA62项目发言人、Cristina Lazzeroni教授解释说,“这种K介子(Kaon)衰变过程被称为“黄金通道”,因为它在标准模型中既具有超稀有性又具有出色的预测能力。这对捕获新物理学的科学家来说非常难于捕捉并具有真正的希望。

    “这是我们首次能够获得有关该衰变过程的大量实验证据。这是一个激动人心的时刻,因为它是获取精确的衰变测量值并确定与标准模型可能的偏差的基本步骤。

    “反过来,这将使我们能够找到了解我们宇宙的新方法。NA62实验中开发的仪器和技术将导致下一代稀有的K介子衰变实验。”

    以30%的精度测量的新结果提供了迄今为止该过程最精确的测量结果。结果与标准模型的预期一致,但仍为存在新粒子留有空间。需要更多数据才能得出关于是否存在新物理学的确切结论。

欧洲核子研究组织:实验发现了可能导致新物理学的首个证据

    STFC卢瑟福研究员、兰开斯特大学Giuseppe Ruggiero博士自2016年以来一直是该测量的主要分析员,并帮助创建了该实验。他说:“分析来自实验的数据是一个真正的挑战。我们必须将大量不需要的数据抑制大约一千亿次。而且我们必须做到这一点,而又不会丢失我们想要检测的微小信号。在100万个大海捞针中寻找针头确实具有挑战性!我们使用了一种称为“盲分析”技术的方法。之所以这么称呼,是“因为分析是在无需查看信号的区域或“盲盒”的情况下进行的”。

    研究中使用的数据是在前几年间从法国欧洲核子研究组织站点获取的,研究涉及31个机构的200多名科学家。新的数据采集期将于2021年开始,这将使NA62项目合作能够对新物理问题做出更明确的答案。

调查结果

    新结果来自对迄今收集的完整NA62数据集的详细分析,对应于6×10^12 K介子衰变的暴露。由于所测量的过程非常罕见,因此团队必须特别小心,不要做任何可能导致结果偏差的事情。因此,该实验是作为“盲法分析”进行的,物理学家最初仅查看背景以检查他们对各种来源的理解是否正确。

    一旦他们对此感到满意,他们就会查看预期信号所在的数据区域。这就是所谓的“盲法分析”。经过盲目分析,在2018年收集的主要数据集中观察到17个K+→π+νν候选物,表明仅比5.3个事件的预期背景大得多。

    这种过量导致了该过程的第一个证据(统计意义高于“三个西格玛”水平)。测得的衰减率精度为30%,是迄今为止该过程最精确的测量。结果与标准模型的预期一致,但仍然为新的物理效果留出了空间。需要更多数据才能得出关于是否存在新物理学的明确结论。

欧洲核子研究组织:实验发现了可能导致新物理学的首个证据

    对于超稀有K+→π+νν衰变,此过程发生的概率称为“分支比”,很小,并且在粒子物理学标准模型中可以预测为高精度:(8.4±1.0)×10^(-11)。这导致对超出标准模型描述的可能现象的非凡敏感性,使这种衰减成为“黄金模式”,即在粒子物理学的精确前沿最有趣的可观察到的现象之一。然而,由于极低的速率,处于最终状态的中微子对以及巨大的潜在背景过程,该实验研究极具挑战性。由于其特性,NA62实验对各种罕见的K介子衰变和奇异过程具有出色的灵敏度。

    当CERN SPS重新开始运作时,NA62协作正准备收集更大的数据集,以更高的光束强度通过改进的光束线和检测器设置来采集数据。下一个目标是对K+→π+νν衰减的“五个西格玛”观察,然后以10%的精度测量衰减率,从而为粒子物理学的标准模型提供有力的独立测试。现在,对衰减速率远低于10^(-11)的灵敏度的新物理程序的视线已经显现。

    从长远来看,高强度的K介子束程序已初具规模,有望将K+→π+νν衰减测量到百分之几的精度,以解决中性K介子的类似衰减KL→π0νν,并且对各种稀有的钾离子衰变具有极高的敏感性,这是对底夸克领域的研究的补充。

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