极少数情况下，一种被称为卡on的转瞬即逝的粒子会产生，然后迅速衰变为三个其他难以捉摸的实体。这种情况是否以特定方式发生对我们大多数人几乎没有影响，我们将在不知情的情况下继续生活。但是对于几十年来一直在寻找这种神秘过程的物理学家来说，这非常重要；找出它发生的频率可能会揭示我们宇宙的隐藏方面。
现在，科学家们首次观察到了这种罕见的衰变，他们发现它发生的几率可能略高于预测的约百亿分之一的几率。如果事实证明如此，那么一定有一些看不见的因素在干扰衰变——可能是自然界中以前未识别的新粒子或力。
这一发现在位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) NA62 实验中取得，并于上周宣布。“这很重要，”慕尼黑工业大学的理论物理学家安杰伊·布拉斯说。三十年前，布拉斯和他的学生格哈德·布查拉首次对根据粒子物理学标准模型衰变发生的频率进行了高级理论预测。他对结果证明比预期的更常见“感到乐观”，但他警告说，实验的发现尚不足以肯定地说。“人们很兴奋，”布拉斯说。“我预计在几周内，您会发现许多新的论文[试图解释结果]，每篇论文都会声称不同的东西。”
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正在研究的不太可能的过程始于卡on，它们非常奇怪——字面意义上。它们包含“奇异夸克”，比原子内部的夸克更奇怪、更重。卡on 最初于 1947 年被发现，在自然界中并不常见，但可以在粒子探测器内部产生，也可以通过宇宙射线撞击地球大气层产生。卡on 很快衰变成许多不同的其他粒子。但是刚刚观察到的特定衰变在正常情况下根本不会发生。
为了捕捉到卡on 的作用，实验将质子束喷射到不动的铍原子目标上。碰撞产生大量的卡on 以及其他物质。然后，卡on 沿着大约 150 米长的真空隧道飞行。在旅程中，它们会衰变。隧道的末端是一个探测器，旨在测量穿过它的每个粒子的身份、速度和能量。只有排除其他一切，物理学家才能专注于他们寻求的罕见事件：卡on 衰变成介子（一种由“上”夸克和“反下”夸克组成的粒子），以及中微子和反中微子。“实验的目的是以 100% 的效率看到一切——你不能错过任何东西，”NA62 发言人、意大利佛罗伦萨大学和该国国家核物理研究所的朱塞佩·鲁吉耶罗说。
这种衰变如此罕见，因为它需要“虚粒子”。量子力学的定律虽然很奇怪，但允许粒子凭空出现，然后迅速消失。有时，当一个粒子转变成另一个粒子时，这些虚粒子会出现——并改变衰变的进程。例如，当卡on 衰变时，它们偶尔会受到虚版本的 W 和 Z 玻色子（已知携带弱核力的粒子）的干扰。正是这种干扰使卡on 能够产生介子和两个中微子，即 NA62 寻求的过程。标准模型——科学家拥有的最佳理论——预测这种情况在每 1000 亿次衰变中精确发生八次。
如果它发生得更频繁或更少，则必须发生其他事情——标准模型中描述之外的东西。“该模型运行良好，但我们有许多问题无法回答，”布拉斯说。“在我看来，最重要的两个问题是暗物质的存在和我们自身的存在：为什么宇宙中存在物质而没有反物质？”
如果卡on 衰变的测量结果与标准模型不符，科学家可以得出结论，一定有其他未知种类的虚粒子混淆了这些衰变。新的测量结果发现，衰变大约在每 1000 亿次衰变中发生 13 次——尽管估计不确定性约为 25%。 “这很有希望——它让我们希望我们可能会发现与标准模型的偏差，”NA62 团队成员、英国伯明翰大学物理学家、实验前发言人克里斯蒂娜·拉泽罗尼说。“但从统计学上讲，这不是证据。这就是为什么我们需要更多数据。”
如果未来的测量结果证实衰变与预测相矛盾，则可能有几种可能的虚粒子参与其中。
一种可能性是假设的粒子，称为 Z′（发音为“Z prime”）玻色子。这将是已知的 Z 玻色子的重得多版本。Z′ 不像常规 Z 那样携带弱力，而是携带其他东西。“它携带一种力，这种力可能可以揭示[物理学中的]未解决问题，但对我们的生活没有直接影响，”布拉斯说。另一种选择是拟议的粒子，称为轻子夸克，它可以将夸克转化为轻子（包含电子和中微子的类别），反之亦然。
虽然这两种潜在的新粒子都不能直接解释暗物质或我们宇宙的其他谜团，但发现它们可以为回答我们最大的一些问题铺平道路。“这就像打开一扇通往新世界的大门，”拉泽罗尼说。“根据您打开的窗口，世界可能非常丰富。”
如果这些新粒子真的存在，它们可能会干扰世界各地实验中正在寻找的其他罕见粒子衰变。在这种情况下，诸如欧洲核子研究中心 (CERN) 的 大型强子对撞机 beauty (LHCb) 实验 以及日本的 Belle II 和日本质子加速器研究中心 (J-PARC) 实验等项目也应该在其测量中看到与标准模型的偏差。
西北大学理论物理学家安德烈·德·古韦亚说，新的结果“非常有趣”。 “这种衰变被认为是非常干净的——这意味着我们可以非常精确地计算它——并且对假设的新现象非常敏感。”
NA62 实验计划再运行几年。当它结束时，研究人员应该拥有大约是他们为这次测量分析的数据量的四倍，这将使他们能够显着提高探测的精度。德·古韦亚说，许多物理学家将急切地等待未来的分析。“我们可能正在走向在几年内遇到一个严重的难题，”他补充道。