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欧洲核子研究中心的NA62实验报告了可能导致新物

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

欧洲核子研究中心(CERN)的科学家报告了一个理论预测过程的首个重要证据,为寻找粒子过程新物理证据铺平了道路,这些新物理证据可以解释暗物质和宇宙的其他奥秘。

今天,欧洲核子研究中心NA62合作,部分英国的科学和技术设施理事会(STFC)和包括一些英国科学家,2020年巴黎高能物理会议上提出会议在布拉格的第一次重大的实验证据件带电K中介子衰变为带电介子和两个中微子,(即K →π νν)。

衰变过程在前沿物理研究中非常重要,因为它对理论预测的偏差非常敏感。这意味着,对于寻找证据支持粒子物理学中替代理论模型的物理学家来说,它是最有趣的观察对象之一。

粒子物理学家、STFC执行主席马克·汤姆森教授表示,这是令人兴奋的进展,因为该结果表明,对这一过程的精确测量可能会带来新的物理学,超越上世纪70年代开发的粒子物理学标准模型:

“标准模型描述了宇宙的基本力量和组成部分。这是一个非常成功的理论,但是有几个宇宙的奥秘标准模型没有解释,例如暗物质的性质和宇宙中物质-反物质不平衡的起源。

物理学家一直在寻找标准模型的理论扩展。对超稀有过程的测量为探索这些可能性提供了一个令人兴奋的途径,希望发现超越标准模型的新物理。”

这项研究的英国参与者来自伯明翰大学、布里斯托尔大学、格拉斯哥大学和兰开斯特大学,他们得到了英国研究与创新中心(STFC)以及英国皇家学会和欧洲研究理事会(ERC)的资助。

NA62实验已经被设计和建造,在英国做出了重大贡献,专门用于测量这些超稀有的kaon衰变,由欧洲核子研究中心的加速器提供的独特的高强度质子束产生的kaon衰变。来自欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器(SPS)的高能质子碰撞到一个固定的铍靶上,从而产生了这些“卡子”。这就产生了一束次级粒子,每秒包含并传播近10亿个粒子,其中大约6%是卡介子。NA62的主要目的是精确地测量带电的kaon粒子如何衰变成介子和中微子-反中微子对。英国在K →辅助性复合材料腐蚀分析方面具有很强的领导作用。

“这种介子衰变过程被称为‘金通道’,因为在标准模型中,这种超稀有和卓越的预测结合在一起。”这是非常难以捕捉的,并为寻找新物理的科学家带来了真正的希望,”伯明翰大学粒子物理学家、NA62发言人克里斯蒂娜·拉泽罗尼教授解释说。

“这是我们第一次能够获得关于这个衰变过程的重要实验证据。这是一个激动人心的时刻,因为它是捕获衰变的精确测量和确定可能偏离标准模型的基本步骤。

反过来,这将使我们能够找到理解我们的宇宙的新方法。在NA62实验中开发的仪器和技术将导致下一代罕见的kaon衰变实验。

新的测量结果精确度达到了30%,给出了这个过程迄今为止最精确的测量结果。结果与标准模型的预期一致,但仍留有新粒子存在的空间。

需要更多的数据来确定是否存在新的物理现象。

STFC Ernest Rutherford的研究员,兰开斯特大学的Giuseppe Ruggiero博士自2016年以来一直是这项测量的首席分析师,并帮助创建了这个实验。他说:

分析实验数据是一个真正的挑战。我们不得不将大量不需要的数据加以抑制,抑制了大约10万亿倍。我们必须在不丢失我们想要探测到的微小信号的情况下做到这一点。这比在一百万个干草堆里找一根针要困难得多!我们使用了一种叫做盲分析技术的方法。之所以这么叫,是因为在分析过程中没有看到信号所在的区域,或者说“盲盒”。

STFC还资助了两个卢瑟福奖学金,一个在利物浦大学,一个在兰开斯特大学,另一个在伯明翰大学。此外,伯明翰大学的三名博士生得到了STFC的支持,其中一名现在是该项目的博士后研究员。五名“职业早期”物理学家都参与了这个项目。

这项研究使用的数据是2016年至2018年在欧洲核子研究委员会位于法国的Prevessin中心采集的,研究涉及来自31个机构的200多名科学家。新的数据采集阶段将于2021年开始,这将使NA62合作项目对新物理学的问题给出更明确的答案。

研究结果

新的结果来自于对到目前为止收集的完整的NA62数据集的详细分析,对应于暴露于6×1012 kaon衰变。因为被测量的过程是如此罕见,所以团队必须特别小心,不要做任何可能导致结果偏差的事情。出于这个原因,这个实验被作为一个“盲分析”来进行,物理学家最初只看背景来检验他们对各种来源的理解是否正确。

只有当他们对这个结果满意时,他们才会去看预期信号所在的数据区域;这就是所谓的“盲目分析”。经过盲法分析,在2018年收集的主要数据集中观察到17个K →钳子 强子的候选事件,显示出明显高于仅5.3个事件的预期背景。

这种过剩导致了该过程的第一个证据(在“三西格玛”水平之上具有统计学意义)。衰减率,测量到30%的精度,给出了这个过程迄今为止最精确的测量。结果与标准模型的预期一致,但仍留有空间给新的物理效应。需要更多的数据来确定是否存在新的物理现象。

对于极罕见的K →add 的氢键氢键衰减,这个过程发生的概率称为“分支比”,在粒子物理标准模型中预测的精度很高:(8.4±1.0)×10-11。这导致了对超出标准模型描述的可能现象的异常敏感性,使这种衰变成为一种“黄金模式”,即在粒子物理学的精确前沿最有趣的观测之一。然而,由于微速率、最终状态的一对中微子和巨大的潜在背景过程,实验研究极具挑战性。由于其特性,NA62实验对各种罕见的kaon衰变和奇异过程具有很好的敏感性。

NA62合作项目正准备在2021-24年收集一个更大的数据集,那时CERN的SPS将重启工作,利用改进的光束线和探测器设置以更高的光束强度采集数据。下一个目标是“五西格玛”观察K →kt K和K的衰变,然后测量衰变率到10%的精度,从而为粒子物理标准模型提供一个强大的独立测试。一个对衰变率远低于10-11级的新物理项目的前景已经在望。

在长远的未来,高强度K介子束计划开始成形,与前景测量K →π νν衰变几%精度,解决类似的中性K介子衰变,KL→π0νν,和达到极端敏感性很大满足各种罕见的K中介子衰变在美夸克部门调查。