發(fā)現(xiàn)輕子家族中的電子，是物質(zhì)的關(guān)鍵組成部分

在粒子物理學(xué)輕子家族中最著名的粒子是電子，電子是物質(zhì)的關(guān)鍵組成部分，也是我們理解電學(xué)的核心。但電子并不是輕子家族唯一的孩子，它有兩個(gè)更重的兄弟姐妹，μ子和τ輕子，它們一起被稱為三種輕子口味。根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，這些兄弟姐妹之間唯一的區(qū)別應(yīng)該是質(zhì)量：μ子比電子重約200倍，而輕子比μ子重約17倍。

標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，每種味都有可能與一個(gè)W玻色子一樣的相互作用：這是所謂輕子味道普適性的結(jié)果，輕子味的普適性已經(jīng)在不同的過程和能量范圍內(nèi)進(jìn)行了高精度的探索。在新發(fā)表在《arxiv》上的一篇研究論文中描述了一項(xiàng)新研究，該研究首次在2020年LHCP會議上公布，ATLAS合作使用一種全新技術(shù)精確測量了輕子味道的普適性。

ATLAS的物理學(xué)家研究了一對頂夸克衰變成一對W玻色子，然后衰變成輕子的碰撞事件，ATLAS物理協(xié)調(diào)員克勞斯·莫尼格說：大型強(qiáng)子對撞機(jī)是一家頂級夸克工廠，在第二次運(yùn)行期間生產(chǎn)了1億對頂夸克對，這給了我們一個(gè)W玻色子衰變?yōu)棣套雍挺虞p子的大樣本，這對于這種高精度的測量是必不可少的。

然后，研究人員測量了由W玻色子衰變產(chǎn)生的輕子是μ子或τ輕子的相對概率-這一比率被稱為R(τ/μ)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，R(τ/μ)應(yīng)該是統(tǒng)一的，因?yàn)閷τ谳p子和μ子，與W玻色子的相互作用強(qiáng)度應(yīng)該是相同的。但自從20世紀(jì)90年代在大型電子-正電子對撞機(jī)上的實(shí)驗(yàn)測得R(τ/μ)為1.070±0.026，偏離標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期2.7%標(biāo)準(zhǔn)偏差以來，圍繞這一問題一直存在緊張情緒。

新的ATLAS值為R(τ/μ)=0.992±0.013，這是迄今為止對比率最精確的測量，其不確定度是LEP結(jié)果組合的一半。ATLAS的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期一致，并表明之前的LEP差異可能是由于波動(dòng)造成，ATLAS發(fā)言人卡爾·雅各布斯(Karl Jakobs)說：大型強(qiáng)子對撞機(jī)被設(shè)計(jì)成希格斯玻色子和重新物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)機(jī)器

但這一結(jié)果進(jìn)一步表明，ATLAS實(shí)驗(yàn)也有能力在精度前沿進(jìn)行測量。隨著未來在第三輪及以后采集更多數(shù)據(jù)，研究進(jìn)行這些類型的精確測量能力只會有所提高。盡管輕子味普適性原理已經(jīng)通過了這次最新的測試，但在大型強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)記錄的B介子衰變反常也被明確探測之前，輕子味道普適性的原理還沒有完全走出困境。

審核編輯 ：李倩