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LHC数据曲线上那个小小的凸起到底意味着什么

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:5

    LHC数据曲线上那个小小的凸起到底意味着什么

    去年12月,大型强子对撞机(LHC)的ATLAS和CMS实验组发布了LHC能量极高的第二次运行在最初几个月收集的部分数据。两个实验组都发现总能量约为750 GeV的光子对额外多出了一些。这可能是一种新的大质量粒子的首个证据,这种粒子衰变时会释放出两个光子。或者它可能只是巧合的涨落,在研究者获得更多信息后就将不复存在了。

    最近,物理学家在意大利拉特乌伊莱(La Thuile)的Moriond会议上发表了他们的最新分析,包括对数据曲线上这一神秘凸起的全面研究。在仔细检查、交叉检查并复查数据后,两个实验组得到相同的结论:凸起仍然存在。

    “我们已经重新校准了我们的数据并对我们的分析做了数个改进,”康奈尔大学的博士后利维亚•索菲(Livia Soffi)说。“这些是我们得到的最好、最精确的结果。但是我们现在所处理的仍是2015年收集的数据。在这一点上,只有更多的数据才有可能使我们正在进行的研究得出截然不同的结果。”

    LHC的物理学家们使用了种种强大的工具来研究宇宙的奥秘:一个17英里长的粒子加速器;庞大且复杂的粒子探测器;遍布全球的计算中心。但是从所有这资源中,有一种工具可以造就或毁灭任何可能的发现——统计学。

    2015年,LHC的科学家们记录了20万亿次质子-质子碰撞的数据。这些碰撞中有数万次都产生了高能光子对。其中约1200个光子对的总能量是125 GeV(科学家现在知道其中有大约100个来自希格斯玻色子,另外1100个由常见的、众所周知的过程产生。)能量越高,记录到的光子对也就越少,能谱的波动也越来越明显。在约750 GeV处,科学家只观察到几十个光子对,而且比预期的数量多了一点。

    但是,多出的这一小部分究竟是一种新粒子的证据或仅仅是又一常见的统计涨落,仍悬而未决。

    “在物理学中,当能量越来越高时,我们有时认为过量是源于统计涨落,”马萨诸塞大学的博士后马西米利亚诺•贝洛莫(Massimiliano Bellomo)说。“我们现在处于灵敏度的边缘,如果没有更多的数据,我们既不能证实也不能排除任何凸起。”

    一个小凸起本身不代表任何意义。但是,当相互独立的实验开始一次又一次地观察到同样的凸起,这就引起了研究者的兴趣。

    “我用LHC第一次运行时的CMS数据做博士论文时看到了这种波动,并没有去考虑它。”索菲说。“现在新的数据中CMS和ATLAS又都观察到了它。这可能是一个巧合。但是如果它不断出现,那么我们可能就找到了什么。”

    在他们的新分析中,CMS实验组增加了20%的数据——CMS磁体关闭的第二次运行期间记录的数据。他们还使用更精确的校准重新计算了探测器记录的粒子能量。在他们的分析整合了这两个改进后,CMS组还是发现存在凸起;而且比之前更明显了一点。

    ATLAS的科学家也对这一谜团进行了更深入的研究。最近他们重新检查了第一次运行中收集的数据,看看这一顽固的凸起是否会再一次出现。科学家开展了两个相互独立的研究,各自采用了略有不同的方法来归类并分离光子对。在一个分析中,科学家又一次观测到了750 GeV 光子对的少量过量。但是在另一个分析中,他们没有观测到任何异常。对2015年 13 TeV 数据的进一步研究显示该凸起依然存在,但仍然没有达到统计显著的水平。

    “底线是,如果我们没有更多的数据,我们就不能下结论,”贝亚特•海涅曼(Beate Heinemann)说,他是美国能源部的伯克利实验室的研究员和ATLAS实验的副发言人。“因此我们现在专注于准备记录并分析LHC今年将给出的大量数据。”

    即使只有有限的数据,物理学家已经在展望并猜测,如果这一小凸起变得越来越明显,它可能会是什么。一个流行的新兴理论认为,它可能是一种较重的希格斯玻色子留下的痕迹。

    “我们已经发现了质量为125 GeV的希格斯玻色子,”约翰斯•霍普金斯大学的物理教授安德烈•格里灿(Andrei Gritsan)说。“我们正在试图更深入地理解该玻色子,但是同时我们也期待着其他更重的希格斯玻色子。我们对于一个衰变通道中750 GeV光子对的过量感到激动,但是在我们对这个现象发表看法前,我们需要确定这个信号是不是真的,以及它是否在其他地方出现。我们现在可以做的只是假定和猜测。”

    如果该凸起是一种新玻色子的初步证据,理论物理学家预言它可能变为更多种粒子——而不仅是两个光子。例如,较重的希格斯玻色子的衰变行为可能类似已知的125 GeV希格斯玻色子,后者衰变时会释放出一对Z玻色子、一对W玻色子、或一对光子。

    实验物理学家最近将能量近乎相同的Z玻色子和W玻色子对分组,将每组的粒子对数量与预测的总数相比较,预测的总数由数千次计算机模拟得出。

    “如果在750 GeV,这些粒子对的数量仍比预测的多,那就太让人激动了,”普林斯顿大学的物理教授吉姆•奥尔森说。“接下来的问题就是,这些观测是否相关、如何相关。”

    但是在开展了这些分析后,科学家在任何其他通道都没有观测到异常。科学家还把Z玻色子与光子配对,绘制了这种粒子对的能量分布。理论物理学家预测,产生这种粒子对的衰变通道可能是新物理学现象的宝库。但初步结果也未显示有任何异常。

    LHC的第二次运行仍然处于开始阶段,现在已经收集了的数据只是第一次运行的十分之一。新的数据来自于能量相当于第一次运行的1.6倍的粒子碰撞,进入了一个此前从未达到过的新能量范围。但物理学家需要时间来积累数据。

    “我们希望未来三年得到30倍数据,使我们更好地探索更高的质量范围,”贝罗莫说。“我们将在春末再次开始收集数据,在夏天结束前,对这一凸起和其他研究,我们应该就有更多可说的了。”

    撰文:莎拉•查理(Sarah Charley)

    翻译:余卉

    审校:韩晶晶

    原文链接:

    https://www.symmetrymagazine.org/article/bump-watch-2016

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