歐洲核子研究中心看到罕見k介子衰變跡象

【博科園-科學科普】如果事件發生的幾率約為100億分之一，那該怎麼辦？這是一個帶正電荷的粒子衰變的例子，它被稱為k介子，是另一種帶正電的粒子，叫做介子和中微子-反中微子對。然而這種罕見的事件，從來沒有被明確地觀測到，是粒子物理學家們真正想要得到的東西。標準模型預測，這種不確定的概率在10%以內。通過對衰變的精確測量揭示出這個預測的偏差，因此可以成為超越標準模型的一個明確的物理指標。

歐洲核子研究中心北部地區的NA62實驗，圖片版權：NA62/CERN

在歐洲核子研究中心舉行的研討會上，NA62合作報告了一種極罕見的kaon衰變的候選事件，發現使用了一種新的「飛行衰減」方法。雖然這個單一事件不能用於探測beyond-標準模型物理，但它表明該方法可以很好地工作，並且可以應用於在下一次數據採集中捕獲更多的事件，這將在4月中旬開始。這個結果也在本月早些時候在義大利La Thuile的Rencontres de Moriond會議上公布。為了尋找k介子衰變,，NA62團隊首先通過將高能質子從超級質子同步加速器(SPS)加速器發射到鈹靶中，製造出富含kaons的光束。

碰撞產生一束近10億粒子每秒，其中只有6%是k介子。接下來該團隊通過切倫科夫探測器發送光束，該探測器可以確定它們所產生的切倫科夫輻射中的k介子。然後一個硅像素探測器決定了k介子的動量，時間解析度為100皮秒。一種被稱為「吸管追蹤器」的裝置被放置在真空罐內，進而測量了卡子衰變的帶電粒子的動量，另一種叫做RICH的切倫科夫探測器則決定了粒子的類型。另一種被稱為量熱計的裝置會用光子和介子來拒絕不必要的背景事件。在對2016年的數據進行分析時，NA62團隊發現了一個帶有正電荷的介子衰變的候選事件，以及一個未被探測到的中微子-反中微子對。

NA62的候選事件，罕見的k介子衰變。Octagons在豐富的探測器上顯示了點擊量。圓圈顯示預測的「切倫科夫環」為帶正電荷的介子(+)，帶正電的介子(+)和反電子(e+)衰變粒子。圖片版權：NA62/CERN

這一結果使得研究人員可以在相對頻率上(即「分支分數」)上限定在100億里的14倍。其結果與標準模型預測相一致，即1000億的8.4(不確定為1)，但是需要更多的數據來研究超越標準模型的理論，這些理論預測偏離標準模型的價值。這已經不是第一次觀察到這種衰變的跡象了。在紐約長島的布魯克海文國家實驗室，E949實驗和它的前身E787已經報道了一些候選事件。這些候選事件被用來推斷一個分支分數為17.3的1000億(不確定的11)，這是一致的，在很大的誤差範圍內，和標準模型預測。

但在Brookhaven實驗和NA62之間有一個區別:前者觀察到k介子衰變，而粒子在目標中靜止，NA62觀察它們，而粒子在真空罐中飛行。這種新的飛行方式具有優勢，因為它為探測和背景事件免疫提供了更多的空間。NA62團隊預計將在2017年對一個20倍大的數據集進行的分析中發現更多稀有的k介子衰變事件，並將在4月中旬再次開始收集數據，創下218天的記錄。如果一切按計划進行，那麼協作應該能夠以足夠小的不確定性來度量衰變的分支部分，從而對標準模型進行精確的測試。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：歐洲核子研究中心

編譯：光量子

審校：博科園

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傳播：博科園

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