研究为“新物理学”提供了证据

诸平

Prof. Dr. Ulf-G. Meißner (left) and Dr. Chien Yeah Seng (right) from the Helmholtz Institute for Radiation and Nuclear Physics at the University of Bonn. Credit: Volker Lannert/University of Bonn https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/2021/study-provides-evidenc.jpg

https://phys.org/news/2021-09-evidence-physics.html

据德国波恩大学（University of Bonn）2021年9月13日提供的消息，该校最近的一项研究为“新物理学”的存在提供了更有力的证据（Study provides evidence for 'new physics'）。粒子物理的标准模型在关键点上是错误的吗?最近，有越来越多的实验观测偏离了这个被广泛接受的物理理论的预测。波恩大学最近的一项研究为“新物理学”的存在提供了更有力的证据。该论文的最终版本于2021年7月15日已在《物理快报B辑》（Physics Letters B）杂志网站发表——Chien-Yeah Seng, Daniel Galviz, Mikhail Gorchtein, Ulf-G. Meißner. High-precision determination of the K_e3 radiative corrections. Physics Letters B, Volume 820, 10 September 2021, 136522. DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136522. Available online 15 July 2021. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2021.136522

参与此项研究的除了来自德国波恩大学（Universität Bonn）的研究人员之外，还有来自德国赫姆霍兹研究所（Helmholtz Institute Mainz）、德国重离子研究中心（GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung）、德国古腾堡大学（Johannes Gutenberg University）、德国核物理研究中心犹太人强子物理学研究中心（Institut für Kernphysik and Jülich Center for Hadron Physics, Forschungszentrum Jülich）以及格鲁吉亚第比利斯州立大学（Tbilisi State University）的研究人员。首席作者Chien-Yeah Seng将在10月中旬的美国物理学会（U.S. Physical Society）秋季会议上交流此研究结果。

粒子物理学的标准模型描述了构成这个世界的基本要素我们人类，沙滩上的沙粒，我们用来降温的海水，还有灼伤我们的太阳。该模型还解释了这些基本粒子（elementary particles）之间的作用力，并让我们理解许多物理现象。

波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所（Helmholtz Institute for Radiation and Nuclear Physics at the University of Bonn）博士后研究员Chien-Yeah Seng博士解释说：“然而，也有这个理论无法回答的问题。例如，大多数研究人员认为，我们的宇宙95%是由暗物质和暗能量组成的，而我们的测量仪器无法直接探测到这些。但是，这些神秘成分的存在并不能从标准模型中推断出来。

因此，许多研究人员认为，标准模型还不是最终的答案，但必须加以补充，甚至从根本上改变。越来越多的实验结果也指向这个方向，例如关于所谓的K介子(kaons)的衰变。这些粒子是恒星和星系发出的宇宙射线的组成部分。它们并不稳定，但平均会在几十亿分之一秒后衰变。

测量和理论之间的微小差异(Small discrepancy between measurement and theory)

标准模型的一个参数Vus描述了这种衰变。它的值可以用数学方法从实验测量数据中提取出来。然而，如果对K介子的不同衰变路径这样做，对Vus而言则得到不同的结果。“这可能是一种超出标准模型的物理现象，”Chien-Yeah Seng澄清道。

但这并不完全确定。这是因为这种差异基本上有三个可能的原因:首先，实验中的测量可能是错误的或太不准确。其次，也许在标准模型下相关衰变的计算不够精确。第三，标准模型在这一点上实际上是错误的。亥姆霍兹研究所的Ulf Meißner教授强调说：“第一种解释现在被认为是不可能的。一方面，现在可以通过实验越来越精确地确定Vus。另外，这些测量已经重复了很多次。

这个理论是错误的吗?或者是计算太不准确吗？

然而，目前还不清楚在标准模型框架内的衰变计算对于提取Vus是否足够精确。这是因为这些计算只能在近似的程度上实现，而且必须使用极其强大的超级计算机。此外，为了达到足够高的计算精度，即使是最快的计算机目前也要忙碌几十年。“然而，我们需要较高的准确性，才能充分确信Vus值之间的差异确实表明标准模型存在错误，”Chien-Yeah Seng强调说。

这位来自马来西亚（Malaysia）的年轻研究人员现在与同事们一起开发了一种可以显著缩短计算时间的方法。他说：“为了做到这一点，我们将问题精确分解，将Vus分解成许多更简单的子问题。这使得我们能够比以前更快、更准确地从K介子衰变中确定Vus的值。

“新物理学”的证据越来越多（Evidence of a 'new physics' intensifies）

结果证实了Vus值之间的差异。因此，超越标准模型的“新物理学”的证据变得更加有力。Chien-Yeah Seng将在10月中旬的美国物理学会（American Physical Society）秋季会议上展示其发现。他说：“尽管我们还不能完全确定，为此，我们的计算必须变得更精确一些。但如果我们的结果得到证实，这无疑将是粒子物理学近年来最重要的发现之一。”

此项目得到了德国研究基金会（German Research Foundation）、中国国家自然科学基金会（National Natural Science Foundation in China）、中国科学院（Chinese Academy of Sciences）、洪堡基金会（Humboldt Foundation）和大众汽车基金会（Volkswagen Foundation）的资助。

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Abstract

We report a high-precision calculation of the Standard Model electroweak radiative corrections in the K→πe+ν(γ) decay as a part of the combined theory effort to understand the existing anomaly in the determinations of Vus. Our new analysis features a chiral resummation of the large infrared-singular terms in the radiative corrections and a well-under-control strong interaction uncertainty based on the most recent lattice QCD inputs. While being consistent with the current state-of-the-art results obtained from chiral perturbation theory, we reduce the existing theory uncertainty from 10⁻³ to 10⁻⁴. Our result suggests that the Standard Model electroweak effects cannot account for the Vus anomaly.