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追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一

来源：cnBeta    时间：2023-06-19 10:47:12


(资料图片仅供参考)

当今物理学中最引人注目的谜团之一是科学家们所称的"强CP问题"。尽管中子是由夸克，也就是携带电荷的较小的基本粒子组成的，但它并不与电场相互作用，这一令人困惑的现象使强CP问题对物理学的标准模型提出了质疑，或者说，科学家们多年来一直用这套理论来解释自然规律。

由明尼苏达大学双城分校理论物理学家领导的一个团队发现了一种寻找轴子的新方法，轴子是可以帮助解决这个谜团的假想粒子。与费米拉布国家加速器实验室的实验研究人员合作，物理学家们的新策略为在粒子对撞机实验中检测轴子开辟了以前未曾探索过的机会。

研究人员的论文在美国物理学会出版的同行评审科学杂志《物理评论快报》上发表并作为编辑的建议。

明尼苏达大学的研究人员寻找假设的轴子的新方法包括测量粒子"衰变"为两个μ子，这些粒子基本上是电子的较重版本--如上图所示。资料来源：明尼苏达大学的雷蒙德-科

"作为粒子物理学家，我们正在努力发展我们对自然的最佳理解，"该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院助理教授刘震说。"在过去的一个世纪里，科学家们通过既定的理论框架在寻找基本粒子方面取得了巨大的成功。因此，中子为什么不与电场耦合是极其令人费解的，因为在我们已知的理论中，我们期望它们会这样。如果我们真的发现了轴子，这将是我们对自然界结构的基本理解的一个巨大进步。"

研究亚原子粒子和可能发现新粒子的主要手段之一是对撞机实验。从本质上讲，科学家们强迫粒子束进行碰撞--当它们相互撞击时，它们产生的能量会产生其他粒子，并通过一个探测器，使研究人员能够分析它们的特性。

刘和他的团队提出的方法涉及测量"衰变"产物--或者当一个不稳定的重粒子转化为两个μ介子（已知的粒子，基本上是电子的较重版本）的多个较轻粒子时会发生什么。通过从探测器中的μ子轨道向后重建这种衰变，研究人员相信他们有机会找到轴子并证明其存在。

该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院和威廉-费恩理论物理研究所的博士后研究员Raymond Co说："通过这项研究，我们正在扩大我们可以搜索轴子粒子的方法。人们以前从未将轴子衰变为μ子作为在中微子或对撞机实验中搜索轴子粒子的一种方式。这项研究开辟了新的可能性，为我们领域的未来努力铺平道路。"

刘和Co，以及明尼苏达大学物理学和天文学博士后研究员Kun-Feng Lyu和加州大学伯克利分校博士后研究员Soubhik Kumar是这项研究的理论部分的支持者。他们是ArgoNeuT合作的一部分，该合作汇集了来自全国各地的理论家和实验家，通过费米实验室的实验研究粒子。

在这篇论文中，明尼苏达大学领导的理论团队与实验研究人员合作，利用他们的新方法和ArgoNeuT实验的现有数据进行轴子的搜索。研究人员计划在未来使用实验结果来进一步完善他们对轴子产生率的理论计算。

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