散文網(wǎng) » 科技 »自然 » 又一發(fā)現(xiàn)：首次觀測(cè)到輕子衰，或?qū)⒔沂緲?biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理學(xué)！

又一發(fā)現(xiàn)：首次觀測(cè)到輕子衰，或?qū)⒔沂緲?biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理學(xué)！

2020-03-05 12:29 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

來自北京光譜儀III合作，一個(gè)由來自世界各地大學(xué)進(jìn)行粒子物理研究的大型研究人員組成的團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在報(bào)告了首次觀測(cè)到輕子衰變D+→τ+ντ，這一觀察結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，為在D衰變中進(jìn)一步測(cè)試mu/tau普適性開辟了可能性。

在這項(xiàng)研究之前，只有一個(gè)與相同輕子衰變相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是由另一組稱為CLEO協(xié)作的研究人員收集。然而，CLEO的合作并沒有觀察到D+→τ+ντ的信號(hào)。

只能設(shè)定一個(gè)上限，這個(gè)上限只比標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)這種衰變速率的預(yù)測(cè)大20%。在新研究中，北京光譜儀III（BESIII）的合作小組開始進(jìn)一步研究這種衰變，希望大量數(shù)據(jù)樣本將使新的發(fā)現(xiàn)成為可能。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，零結(jié)果同樣或更令人興奮，因?yàn)樗赡芙沂緲?biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理。然而，存在重大挑戰(zhàn)，即使數(shù)據(jù)樣本是CLEO的3.6倍，也需要更好地理解背景過程和對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)的控制。研究人員在Psi(3770)共振能量下使用BEPCII正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中：

正電子湮沒產(chǎn)生了原始的事件樣品，每個(gè)樣品只有一個(gè)D+和一個(gè)D-介子。研究人員選擇了D-被完全重建的事件，并測(cè)試其余事件是否與D+→τ+ντ一致，后者只貢獻(xiàn)一個(gè)帶電粒子。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的明尼蘇達(dá)大學(xué)研究員Hajime Muramatsu博士說：即使在干凈的北京光譜儀III環(huán)境中，這個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)，也有可能淹沒信號(hào)的高速率背景過程。抑制其中最大的兩個(gè)，D+->pi+pi0和D+->pi+K_L，是科學(xué)家在設(shè)計(jì)測(cè)量時(shí)最關(guān)心的問題。

當(dāng)這些過程不完全或不正確地重建時(shí)，它們可能被誤認(rèn)為我們的信號(hào)，為了分析，研究人員提出了兩種新的背景抑制工具。北京光譜儀III合作設(shè)計(jì)的兩種背景抑制工具之一，需要消除丟失動(dòng)量點(diǎn)在有源探測(cè)器外部的事件，以避免將逃逸粒子誤認(rèn)為無法檢測(cè)到的中微子。丟失的動(dòng)量是根據(jù)湮沒電子和正電子的性質(zhì)，以及檢測(cè)到的末態(tài)粒子來計(jì)算。另一方面，研究人員設(shè)計(jì)的第二個(gè)工具，根據(jù)探測(cè)器電磁量熱計(jì)產(chǎn)生的額外能量沉積，通過拒絕背景事件來工作。

這一特殊要求有效地接受信號(hào)事件，對(duì)于這些事件，唯一額外的粒子是穿透探測(cè)器而不留下痕跡的中微子。北京光譜儀III合作對(duì)輕子衰變D+→τ+ντ的觀測(cè)，填補(bǔ)了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的一個(gè)重要空白，使得能夠?qū)υ撃Ｐ瓦M(jìn)行新的測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)關(guān)鍵特征是“輕子普適性”，它要求電子、μ子和tau在所有相互作用中的行為幾乎完全相同。參與這項(xiàng)研究的明尼蘇達(dá)大學(xué)研究員羅恩·波林(Ron Poling)教授表示：對(duì)B介子衰變的測(cè)量表明，可能違反了輕子普適性。

這使得對(duì)介子D和D進(jìn)行測(cè)試變得更加有趣。有許多關(guān)于Ds+->tau+nu的結(jié)果有些分散，但與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)基本一致。由于以前從未見過D+->tau+nu，本研究提供了第一次機(jī)會(huì)來測(cè)試D衰變中mu/tau的普遍性。研究表明，在實(shí)驗(yàn)不確定性范圍內(nèi)，輕子衰變D+→τ+ντ速率符合理論預(yù)期，從而增強(qiáng)了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的信心。根據(jù)~3/fb e+e湮沒數(shù)據(jù)收集的D+→τ+ντ的第一次測(cè)量，在統(tǒng)計(jì)上是有限的（即，衰變率和輕子普適性檢驗(yàn)的相對(duì)統(tǒng)計(jì)不確定性為20%）。

將來，更大的數(shù)據(jù)集和額外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以為更具體的測(cè)量鋪平道路。北京光譜儀III發(fā)言人袁昌正教授時(shí)表示：北京光譜儀III和北京光譜儀II計(jì)劃在不久的將來獲取更多數(shù)據(jù)，并升級(jí)加速器和探測(cè)器的能力，我們已經(jīng)提議在未來收集20/fb的psi(3770)數(shù)據(jù)，將D+->tau+nu測(cè)量的相對(duì)統(tǒng)計(jì)誤差降低到8%以下。北京光譜儀III還將使用這個(gè)和其他能量的大量數(shù)據(jù)樣本來完善對(duì)Ds介子類似衰變的理解，并擴(kuò)展對(duì)介子、重子和其他狀態(tài)的許多其他研究。