歐洲核子研究中心，首次發(fā)現(xiàn)比“上帝粒子”還罕見50倍的事件

現(xiàn)代物理學(xué)對宇宙的運(yùn)作有了很多了解，從龐大的星系到無限小的夸克和膠子，不一而足。盡管如此，一些重大謎團(tuán)的答案，如暗物質(zhì)的性質(zhì)和引力的起源，仍然遙不可及。加州理工學(xué)院物理學(xué)家使用位于瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)，這是現(xiàn)有最大、最強(qiáng)大的粒子加速器，以及其緊湊子螺線管(CMS)實(shí)驗(yàn)，對非常罕見的事件進(jìn)行了新觀測，這可能有助于使物理學(xué)超越目前對世界的理解。

這項(xiàng)新的觀測涉及同時(shí)產(chǎn)生三個(gè)W玻色子和Z玻色子，這是一種亞原子“介體粒子”，攜帶著弱力（已知的四種基本力之一），這是導(dǎo)致放射性現(xiàn)象的原因，也是太陽熱核過程的重要組成部分。玻色子是一類粒子，它還包括組成光的光子；被認(rèn)為負(fù)責(zé)賦予物質(zhì)質(zhì)量的希格斯玻色子；以及將原子核結(jié)合在一起的膠子。W玻色子和Z玻色子的相似之處在于它們都攜帶弱力，但不同之處在于Z玻色子不帶電荷。

這些玻色子的存在，以及膠子和中微子等其他亞原子粒子的存在，都是由眾所周知的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋。加州理工大學(xué)研究生張志才(MS‘18)是由Marvin L.Goldberger物理學(xué)教授Harvey Newman和陳尚義物理學(xué)教授Maria Spiropuu領(lǐng)導(dǎo)的高能物理研究團(tuán)隊(duì)成員，他與其他團(tuán)隊(duì)成員一起工作，是這次新觀測的主要貢獻(xiàn)者之一。產(chǎn)生三重玻色子的事件，發(fā)生在大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)環(huán)形路徑上的幾個(gè)點(diǎn)上。

比上帝粒子罕見的三重態(tài)

當(dāng)被加速到接近光速的高能量質(zhì)子束迎頭相撞時(shí)，就會產(chǎn)生三重玻色子。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子碰撞時(shí)，質(zhì)子中的夸克和膠子被強(qiáng)迫分開，當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，W玻色子和Z玻色子就會突然出現(xiàn)；在非常罕見的情況下，它們會以三重態(tài)的形式出現(xiàn)：WWW，WWZ，WZZ和ZZZ。這種W玻色子和Z玻色子的三重態(tài)只在10萬億次質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生。這些事件是用CMS記錄的，CMS環(huán)繞著大型強(qiáng)子對撞機(jī)路徑上的一個(gè)碰撞點(diǎn)。

這些事件比用來發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子（上帝粒子）的事件要罕見50倍。由于大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生了大量的碰撞，可以看到非常罕見的東西，比如這些玻色子的產(chǎn)生。W玻色子和Z玻色子有可能自我相互作用，允許W玻色子和Z玻色子產(chǎn)生更多的W玻色子和Z玻色子；這些可能會表現(xiàn)為具有兩到三個(gè)大質(zhì)量玻色子的事件。盡管如此，這種創(chuàng)造是罕見的，所以產(chǎn)生的玻色子越多，產(chǎn)生頻率就越低。

兩個(gè)大質(zhì)量玻色子的產(chǎn)生，之前已經(jīng)在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上進(jìn)行了高精度的觀測和測量，創(chuàng)造這些玻色子并不是實(shí)驗(yàn)的具體目標(biāo)。通過收集足夠的數(shù)據(jù)，包括許多玻色子三重態(tài)事件和其他罕見事件，研究人員將能夠以越來越高的精度測試標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，并最終可能發(fā)現(xiàn)并能夠研究它之外的新相互作用。通過觀察星系的旋轉(zhuǎn)和分布，我們知道一定有暗物質(zhì)施加其引力性質(zhì)的力的影響，但暗物質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)模型。

它沒有容納暗粒子的空間，也不包括引力，而且它根本不能在大爆炸后最初時(shí)刻典型的早期宇宙能量尺度下運(yùn)作?；蛟S有一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)模型更根本，但還有待發(fā)現(xiàn)的理論。大型強(qiáng)子對撞機(jī)計(jì)劃于2021~2024年進(jìn)行的下一次為期三年的試驗(yàn)運(yùn)行已經(jīng)在準(zhǔn)備中。在那次運(yùn)行結(jié)束時(shí)，設(shè)備將進(jìn)行升級，將其數(shù)據(jù)收集能力提高30倍，目前還有很多未實(shí)現(xiàn)的潛力。

研究人員已經(jīng)收集了大量數(shù)據(jù)，在CMS和大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)進(jìn)行重大升級后，預(yù)計(jì)收集的數(shù)據(jù)只有幾個(gè)百分點(diǎn)，高亮度LHC計(jì)劃從2027年開始運(yùn)行10年，研究團(tuán)隊(duì)也才剛剛開始這個(gè)為期30年的物理計(jì)劃。

博科園｜研究/來自：加州理工學(xué)院/歐洲核子研究中心

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