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翻新的对撞机寻找物理基础理论中的裂缝

探索物理前沿的探索将在下个月在日本升温,当时高能电子束将开始在世界上最重要的加速器实验室之一粉碎成其反物质对应物。这项名为“贝尔二世”的实验旨在追寻罕见的有希望的新现象暗示,这些新现象将延伸标准模型 - 一个非常成功但不完整的描述物质和力量的物理学理论

2月,日本的高级加速器筑波能源加速器研究组织(KEK)将开始六个月的初步碰撞。最终的目标是高精度地绘制B介子的衰变图,B介子包含一个称为ab夸克的自然的基本构造块('b'代表'美'或'底')

这项工作是建立在B-meson观测的基础上,这些观测是通过包括位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的大型强子对撞机(LHC)的实验进行的。两种努力都在寻找任何新的粒子或过程对已知粒子衰变为其他粒子的方式的微妙影响。在LHC的物理学家看到了一些有趣的标志模型,最近在2017年有可能偏离标准模型。围绕这些结果的嗡嗡声激起了理论家对Belle II的兴趣,并促使新团体加入国际合作,Tom Browder说。夏威夷大学马诺阿分校的物理学家和日本实验的发言人。

更清洁的物理

Belle II实验中的碰撞比LHC实验中称为LHCb的实验更加清晰和精确。这是因为LHCb实验将质子组合在一起,每个质子都由三个称为夸克的基本粒子组成,因此会造成凌乱的碰撞。但是,贝尔二世将会将电子和正电子碰撞到彼此,这两者都是根本性的,因此不能再进一步分解。该实验将能够研究难以用LHCb调查的难以捉摸的中微子和光子的衰变。这可以帮助它找到假设粒子的证据,例如2012年在LHC发现的带电版本的希格斯玻色子,以及像轴子这样的粒子,这种暗物质被认为与物质的相互作用非常微弱, Browder说。 “两者之间肯定存在竞争,但也存在互补性。”

进行Belle II实验的对撞机将把颗粒挤压成仅50纳米的狭窄光束,这将导致碰撞速率比KEK前任所达到的要高40倍。这将有助于它探索最近发现的由四个或五个夸克构成的奇异粒子,这些夸克分别称为四夸克和五夸克,并且允许它扫描罕见的b-夸克衰变,以便对反物质产生物质的任何尚未知的偏好。这将使物理学家能够探索超出标准模型的有趣物理学标志,这是一种自20世纪70年代以来一直由实验重复验证的理论,但它未能解释引力或大量的谜团,例如为什么有更多的问题比反物质。

对撞机实验产生大量颗粒的喷雾剂,它们可以在衰减到其他颗粒之前存活一小段时间。在一些衰变中 - 涉及将某些B介子转化为电子和它们较重的表兄,称为μ子和taus - LHCb已经看到以意想不到的速率产生的粒子。意大利佛罗伦萨国立核物理研究所的物理学家,以及LHCb实验的发言人Giovanni Passaleva说,虽然每个个体的发现很容易成为一个统计涨落,但他们一起获得了关注。他们广泛地指出了相同的方向,并从两个先前的实验得出类似的结果:加利福尼亚门洛帕克SLAC国家加速器实验室的BaBar合作;和贝尔二世在KEK的前身,他说。 “所以看起来这些偏差有一些相关性,这使得它们比其他更有趣。”

计划追赶

然而,Belle II需要赶上LHCb,它的加速器产生更多的B介子,并且自2009年以来一直在运行。一旦2019年初完整的物理学计划开始实施,Belle II的碰撞率将缓慢增加,大约一年收集足够的数据与LHCb竞争。与此同时,LHCb将从5月份收集数据,直到11月份关闭以进行重大升级,届时应该看到足够的衰减,以消除潜在的信号,或将其推入发现领域。 “我们的希望是,我们让机器和探测器工作得足够快,以便我们能够赶上它们,”布劳德说。

Browder说,宣称发现的竞赛将会降临,其中的衰变证明是最有启发性的。但是,即使LHCb首先到达那里,对Belle II新物理的确认将是“绝对必要的”,Passaleva说。这两个实验之间的差异意味着百丽二号可以帮助物理学家找出新相互作用背后的原因,并明确排除实验误差。 “然后我们确定它是新物理学,因为它会在完全不同的环境中完全不同的实验中看到,”他说。

Nature 553,257- 258(2018)