物理学家探索宇宙奥秘时，一种方法是将物质碰撞在一起，然后检查碰撞后留下的残骸。这些破坏性的实验提供了惊人的信息，但也有其局限性。


在一篇发表在《物理评论快报》上的新论文中，欧洲核子研究中心（CERN）的ATLAS合作组的科学家，在先前的实验数据中发现了隐藏的奥秘，他们开发了一种新的、可用于测量τ子磁矩的摆动的方法。


新方法关注的不是加速器中那些正面的对撞事件，而是粒子在近距离擦身而过时的情况。他们惊讶地发现，采用这种新的方法能比之前的技术更精确地测量τ子的摆动。这也是近20年来，科学家对τ子的摆动的首次测量。


粒子的“摆动”  


电子是我们熟悉的一种基本粒子，事实上，它还有两个更重的“兄弟”粒子，分别是μ子和τ子。τ子是其中最重的，也是最神秘的，它们只能存在非常短暂的时间。


粒子物理学的标准模型描述了基本粒子的属性和它们之间的相互作用。（图/原理）


当将电子、µ子、τ子置于磁场中时，这些粒子会开始“摆动”，而它们的摆动方式，与桌子上旋转的陀螺的摆动方式非常相似。这种“摆动”，被称为粒子的磁矩。


粒子物理学的标准模型是目前关于粒子间相互作用的最佳理论。通过标准模型，科学家可以预测这些粒子摆动得有多快。物理学家之所以想要测量这些粒子的磁矩，是因为通过了解它们的磁矩，有望揭示量子世界中的有趣效应。


电子、μ子、τ子在磁场中像陀螺一样摆动。测量摆动速度可以为量子物理学提供线索。（图/Jesse Liu）


根据量子物理学，粒子云和反粒子云中的粒子会不断地出现和消失，这些短暂的涨落会轻微地改变磁场的中电子、μ子和τ子的摆动速度。通过非常精确地测量这种摆动，物理学家可以更深层地窥探这些粒子云，进而有可能发现未知粒子的线索。


测试电子、μ子和τ子  


1948年，理论物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）就首次计算出，量子云会如何改变电子的磁矩。从那以后，实验物理学家就测量了电子的摆动速度，这一数值结果已经精确到小数点后13位。


粒子越重，它的摆动变化就越大，因为有尚未被发现的新粒子可能潜伏在其量子云中。由于电子很轻，它们对新粒子的敏感性非常有限。但μ子和τ子要比电子要重得多，寿命也短得多。


以μ子为例，它们只能存在几微秒。2021年，费米实验室的科学家对μ子的磁矩进行了测量，数值精确到小数点后10位。他们发现，μ子的摆动速度明显快于标准模型的预测，表明可能有未知粒子存在于μ子的量子云中。


τ子是这三种粒子中最重的，它的质量约是μ子的17倍，电子的3500倍。这使得它们对可能存在于量子云的未被发现的粒子更加敏感。然而，τ子也是最难观测的，因为它们的寿命只有μ子的百万分之一。


迄今为止，对τ子磁矩的最佳测量，是科学家在2004年利用CERN的一台已退役的电子对撞机完成的。尽管他们完成了一项无比艰难的挑战，但经过多年的数据收集，那项实验也只能将τ子的摆动速度测量到小数点后两位。这样的精确度不足以检验标准模型，若要和标准模型相比较，物理学家需要达到10倍的精确度。


铅离子的近射物理  


自2004年对τ子磁矩的测量以来，物理学家一直在寻找测量τ子摆动的新方法。


CERN的大型强子对撞机（LHC）中经常进行一些将两个原子的原子核对撞在一起的实验。这些正面碰撞可以产生烟花般的残骸碎片，虽然其中也可能包括τ子，但杂乱的环境阻碍了科学家对τ子的磁矩进行精确测量。


从2015年到2018年，CERN进行了一项实验，主要是为了让核物理学家研究迎面对撞中产生的奇异的热物质（重离子和夸克-胶子等离子体）。这项实验所使用的粒子是被剥去了电子的铅原子核，即铅离子。


铅离子带有电荷，可以产生强大的电磁场。铅离子的电磁场中含有光子。当两个铅离子对撞时，它们的光子也会撞到一起，并将它们所有的能量转化为一对粒子。科学家就是用这些光子间的碰撞来测量μ子的。


这一系列铅离子实验于2018年结束。2019年，剑桥大学的物理学家Jesse Liu与英国牛津大学的粒子物理学家Lydia Beresford合作，他们意识到，这些铅离子实验的数据，或许可以被用于测量τ子的磁矩。


与两个原子核正面碰撞产生τ子不同的是，两个铅离子可以近距离擦身而过地飞过，并且仍然产生τ子。（图/Jesse Liu）


他们指出，在这些实验中，由于铅离子实在太小，因此在对撞实验中经常会彼此错过。但在偶尔的情况下，这些离子会以非常接近彼此而不发生接触的情况擦身而过，当这种情况发生时，伴随它们的光子仍会撞到一起，而离子则继续安然无恙地飞行。


光子碰撞可以产生各种各样的粒子，其中包括μ子和τ子。但是，由于离子间没有发生正面对撞，因此这些近距离的擦身而过并不会像对撞实验那样产生混乱的烟花，整个事件都要平静得多，可以成为测量τ子的理想选择。


当研究人员回顾2018年的数据时，他们发现这些铅离子的确制造了τ子！也就是说，一个新的实验就隐藏在之前的实验数据之下！


20年来的第一次测量  


2022年4月，CERN的研究团队宣布，他们已经发现了可以证明铅离子在近距离撞击中能产生τ子的直接证据。利用这些数据，研究人员还能测量τ子磁矩——这是自2004年以来首次进行这样的测量。现在，物理学家已经正式将他们的结果发表在了《物理评论快报》上。


这个具有里程碑意义的发现将τ子摆动的测量结果精确到小数点后两位。而且，这种方法仅使用2018年记录中的一个月的数据，就达到了之前的最佳测量结果的水平。可以说，在近20年的停滞期后，这一结果为测试标准模型的预测开辟了一条全新而重要的道路。令人兴奋的是，更多的数据即将出炉。


LHC在试图将粒子撞到一起之前，会将粒子加速到令人难以置信的高速度，但并不是所有的碰撞都能成功发生。（图/Maximilien Brice/CERN）


2023年9月28日，在例行维护和升级后，LHC重启了铅离子数据收集。现在，研究团队计划到2025年将铅离子的近距离数据的样本量扩大四倍。数据的增加将使τ子磁矩测量的精度提高一倍，而且通过改善分析方法，还有可能更进一步地提高精度。


τ子是物理学家通往神秘量子世界的最佳窗口之一。现在，物理学家们对于即将到来的结果所可能揭示的奥秘而感到兴奋。


参考来源：

https://theconversation.com/new-technique-uses-near-miss-particle-physics-to-peer-into-quantum-world-two-physicists-explain-how-they-are-measuring-wobbling-tau-particles-205628

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.151802


本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：Jesse Liu（剑桥大学物理系研究院），Dennis V. Perepelitsa（科罗拉多大学博德分校物理系副教授）