挑战粒子物理标准模型的μ子，被最新实验结果摁回去了

羿阁 2022-12-22 12:51:06 来源：量子位

羿阁 萧箫 发自 凹非寺
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曾被认为可能“打破标准模型”的μ子，被科学家们摁回去了。

来自欧洲LHCb团队对实验数据进行了严格复核后，承认此前的分析存在问题：

实际上，结果与标准模型的预测是一致的。

要知道，此前这个重磅发现一旦被证实，就可能出现颠覆标准模型的新理论，甚至整个粒子物理学体系都会被改写。

然而如今这一系列结果却再次被证实不可靠——

所谓“μ子出现异常”的关键证据，是由于一系列微妙的误差导致的。

LHCb团队发言人、英国曼彻斯特大学物理学家Chris Parkes对此解释称：

在早先的测量中，科学家们错误地将一些其他粒子识别成了电子。

虽然大型强子对撞机（LHC）能很好地捕捉μ子，但对于它们来说，探测电子会更加困难。

对于不少试图推翻现有理论的物理家来说，这并不是一个好消息。

但即便如此，他们也并没有放弃对新理论的探索尝试。

曾被认为颠覆标准模型

标准模型，是解释夸克、电子等微观粒子的物理模型，被视为有史以来最成功的物理理论之一。

从10年前人们发现希格斯玻色子后，标准模型预言的所有粒子就都已被发现。

根据标准模型的预测，不同的带电轻子——电子、μ子、τ子，这三种粒子只有质量不同，其他属性（如电荷，自旋等）都应完全相同，这种性质称为轻子味普适性（LFU）。

但LHCb团队一直试图寻找其中的异常，来打破标准模型，在过去数年间，他们就多次发表论文提出可能违反LFU的测量结果。

例如在2021年的一篇论文中，团队基于LFU理论研究了关于K介子的B介子的衰变过程。

原本这一过程中产生电子的概率和μ子的概率应该相等，但测量却发现μ子产生概率是电子的85%，且置信度达到三个标准差（3σ）。

虽然还不到能用来宣称重大发现的5σ，但也足够让人惊讶了。

BUT，LHCb团队经过一年的长时间复核，发现这个实验结果是存在问题的。

在重新检查K介子的B介子的衰变过程相关数据时，LHCb团队意识到这个异常是由一系列细微误差合并起来产生的。

他们将这一结果在12月20日的欧洲粒子物理研究所研讨会上进行了公开，也引起了不少物理学家的惊讶。

苏黎世大学理论物理学家Gino Isidori表示，这一结果确实出人意料，因为异常值看起来确实可能意味着“以前没见过的粒子”的存在：

我对这次结果感到遗憾，但LHCb“诚实地”公开这次结果仍然是值得称赞的。

制造μ子素来研究μ子

事实上，给科学家们制造“惊吓”已经是μ子的常规操作了。

但鉴于它仍旧是打破标准模型最大的希望之一，物理学家们并不打算放弃对它的研究。

最近发表在Nature子刊上的一篇新研究就表明，科学家们正在通过寻找一种新方法来测量μ子的性质，即制造强烈的μ子素粒子束以减少统计误差。

其中，μ子素又称缈子偶素（符号Mu，muonium），是一种奇异原子，电子绕正μ子旋转，是一种非常适合研究μ子的模型。

要想制造大量μ子素并不容易，但瑞士保罗谢勒研究所（PSI）和苏黎世联邦理工学院的科学家们成功实现了这一点。

他们用微波和激光，探测了低能μ子光束线上形成的μ子素的特性，首次测量出μ子素中某些非常特定的能量子水平之间的转变。

团队下一步目标是称量μ子，即进一步称量更高精度的μ子质量，作为其他实验常数计算的基础。研究人员表示：

如果实验顺利，我们可能将测量精度再提升100倍。

在这一系列测量中，关于μ子的新特性也可能会被发现，可能会再次对标准模型“发起挑战”。

论文地址：
[1]https://arxiv.org/abs/2212.09153
[2]https://arxiv.org/abs/2212.09152

参考链接：
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/vZoYcsI59vcQ_aL8NsnLzw
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-022-04545-z
[3]https://phys.org/news/2022-11-muonium-reveal-physics-standard.html