三項實驗共同發現超出標準模型的跡象

來源 加州大學聖巴巴拉分校

翻譯 朱夢軒

審校 金庄維

輕子的普適性是啥？ 對一般人來說，這聽起來似乎是《星際迷航》中的內容。

認真解釋起來，我們需要用到粒子物理的標準模型，它描述並能預測已知粒子的行為，以及除了引力之外的所有作用力。已知粒子中包括了三種帶電輕子：電子、 μ 子、τ 子。

標準模型有個基本假設：這幾種帶電輕子的相互作用是相同的，儘管它們有著不同的質量和壽命。這便是輕子的普適性。對電子和 μ 子進行比較的精確測試並沒有顯示出任何有違這一假設之處，但是最近關於更重的 τ 子的研究卻對此提出了挑戰。

一個國際物理學家團隊通過分析三項實驗的結果指出：輕子的普適性，甚至是標準模型自身，都很有可能需要被修改。該研究發表於《自然》雜誌。

研究參與者，加州大學聖巴巴拉分校博士後曼努埃爾·弗朗哥·塞維利亞（Manuel Franco Sevilla）基於傑夫·里士滿（Jeff Richman）和邁克爾·馬祖爾（Michael Mazur）先前的工作，在斯坦福直線加速對撞機（SLAC）上的 BaBaR 實驗中發現了第一個超出標準模型（BSM）的顯著信號。弗朗哥·塞維利亞表示， 這個發現十分重要但並不是決定性的。類似的結果後來也在日本的 Belle 實驗和瑞士 LHCb 實驗上被發現。綜合這三個實驗的結果，輕子的普適性在四個標準差的水平（即置信度99.95%）上受到了挑戰。

BaBaR，即正反 B 介子探測器，以及 Belle 是 B 介子工廠。這些粒子對撞機被設計用來產生和探測 B 介子——一種在高能粒子束流對撞中產生的不穩定粒子，它們的性質和行為能夠在非常乾淨的環境中被精確地測量。LHCb（大型強子對撞機 b）提供了一個更高能量的環境，使得 B 介子和大量的其他粒子更容易產生，但這也使得粒子鑒別更為困難。

儘管如此，這三個實驗都測量了 B 介子衰變的相對比例，並發表了相似的結果。相對於電子和 μ 子，τ 子的衰變比例比標準模型預測的要高。

「因為電子和 μ 子已經被測量得比較好，τ 子將會成為（檢驗標準模型的）關鍵。」弗朗哥·塞維利亞解釋道，「τ 子的測量更為困難，因為他們衰變得很快。現在物理學家能夠（利用更好的技術來）更好地研究 τ 子，我們發現可能輕子普適性並不成立。」

儘管這個結果很有趣，但它還不足以推翻輕子的普適性。推翻這一準則需要至少五個標準差的顯著性水平。然而弗朗哥·塞維利亞提到，三個不同實驗都觀測到了超出預期的 τ 子衰變比例，這是十分值得關注的。

一旦被確認，這些結果將指向新粒子或新的相互作用，可能會帶來大量的線索以理解粒子物理。「我們不確定長期來說這意味著什麼。」弗朗哥·塞維利亞說，「但首先，我們需要確認這是真的，然後我們需要更多的實驗來確定其中的意義。」

https://phys.org/news/2017-06-physicists-hint-phenomenon-standard-particle.html

論文基本信息

1

【標題】A challenge to lepton universality in B-meson decays

【作者】Vera Lüth et al.

【期刊】Nature

【日期】2017.6.7

【摘要】One of the key assumptions of the standard model of particle physics is that the interactions of the charged leptons, namely electrons, muons and taus, differ only because of their different masses. Whereas precision tests comparing processes involving electrons and muons have not revealed any definite violation of this assumption, recent studies of B-meson decays involving the higher-mass tau lepton have resulted in observations that challenge lepton universality at the level of four standard deviations. A confirmation of these results would point to new particles or interactions, and could have profound implications for our understanding of particle physics.

【鏈接】 https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7657/full/nature22346.html

2

【標題】Flavour-changing neutral currents making and breaking the standard model

【作者】P. Owen et al.

【期刊】Nature

【日期】2017.6.7

【摘要】The standard model of particle physics is our best description yet of fundamental particles and their interactions, but it is known to be incomplete. As yet undiscovered particles and interactions might exist. One of the most powerful ways to search for new particles is by studying processes known as flavour-changing neutral current decays, whereby a quark changes its flavour without altering its electric charge. One example of such a transition is the decay of a beauty quark into a strange quark. Here we review some intriguing anomalies in these decays, which have revealed potential cracks in the standard model—hinting at the existence of new phenomena.

【鏈接】 https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7657/full/nature21721.html

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