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为什么我们至今无法抛弃标准模型

已有 3311 次阅读 2015-10-24 00:58 |系统分类:科普集锦

记得100多年前,某位高人(90%就是那个开尔文勋爵,他的另一个名句是两朵乌云)说过:未来物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找。一个多世纪过去了,物理学家终于把第六位进展到了第九位。粒子物理的标准模型不仅能够预言12种费米子12种玻色子,而且能够定量的计算在某个能量条件下粒子相互转换的概率。这种定量的计算如此的准确,以至于在过去的30年间,几乎每个粒子物理对撞实验都可以看作对标准模型定量的证明。但是,我们知道,标准模型一定不是终极理论,如果一个物理实验能够在极小的数据上产生对标准模型预言的偏离,则意味着有新的物理影响这一粒子转化过程。过去30年间,随着LEP, Tevatron, LHC等粒子加速器的建成,粒子对撞的能量越来越高,标准模型的理论计算和实验比较,逐渐在小数点后第6,7,8位依次得到验证。现在,物理学家期盼能够在小数点后第9位观察到实验结果对标准模型预言的偏离。


一个很诱人的实验,就是Bs转化成两个u子的过程。Bs是一种复合粒子,由一个b夸克和一个s夸克组成。u子是一种轻子,是电子的兄弟,只不过比电子质量大了300倍。在标准模型里,Bs->uu这种转换是无法直接发生的,用费曼图来讲,下面的树图是严格禁止的。

但是,这个转换过程可以间接的依靠高阶作用实现,比如下面的两个图,

上面的一个叫做圈图,下面的一个称作企鹅图。在标准模型里,高阶段作用很难发生,经过计算,Bs->uu的转化,发生的概率是

3.0*10^(-9)


这个实验之所以引起广泛关注,在于实现的概率如此之小,以至于很有可能受到新物理的影响,而偏离理论的预言。假设,有某个超对称粒子存在(新物理的一种可能理论),未知粒子会间接影响这个转换,而实验观察到的概率很可能会比标准模型预言得更大。


在LHC建成以前,由于这个转换非常困难,即使是当时最优秀的Tevatron也无法观察到。LHC在运行2年后,终于观察到了Bs->uu的这一转换,实验结果是这样的,

LHCb (LHC六个探测器中的一个):(2.9+1.1-1.0)*10^(-9)

CMS (LHC六个探测器中的另一个):(3.0+1.0-0.9)*10^(-9)

两个数据的可信度都在4sigma. 注意,+-号的意思是可信度的上下限。这个数据和标准模型预言的3.0*10^(-9)吻合得很好,标准模型又一次胜利。


这个验证无疑让物理学家非常失望,很多新物理的模型,比如最小超对称模型等等,被这个验证淘汰。被淘汰的模型大都预言Bs->uu这个实验的概率要远高于标准模型的预言,有些悲观的物理学家甚至根据这次的实验预言,TeV的量级上没有新物理。


Bs->uu是否是标准模型里实现概率最小的转换能。不是。标准模型预言了下面的转换:

Bd->uu.

Bd是一个b夸克和一个d夸克组成的符合粒子,这样的转换更加复杂,也更不容易发生。标准模型预言,这个转换实现的概率只有,

1.0*10^(-10)


可惜,这个转换太稀有了,以至于连LHC都无法观察到,现在,LHC只能给出这一转换实验的上限,为:

<7.4*10^(-10)


也就是说,如果这个转换的概率大于这个数字,LHC原则上是应该观察到的。可见,对于Bd的实验,LHC给出的结果也是和标准模型兼容的。当然,2015年LHC升级以后,我们还会近一步观察这个转换,在小数点后更高的位置寻找新物理的线索。




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