CERN实验-可能导致新物理的超罕见过程的证据

欧洲核子研究中心(CERN)的科学家首次报告了理论预测过程的重要证据，为寻找粒子过程中可能解释暗物质和其他宇宙奥秘的新物理证据铺平了道路。今天在布拉格举行的2020年ICHEP会议上，由英国科学和技术设施委员会(STFC)提供部分资金并有多名英国科学家参与的CERNNA62合作项目首次展示了带电介子超罕见衰变为一个带电π介子和两个中微子(即K+→π+νν)的重要实验证据。

衰变过程在前沿物理研究中非常重要，因为它对偏离理论预测非常敏感。这意味着，对于物理学家来说，这是寻找证据来支持另一种理论的最有趣的事情之一。

粒子物理学家兼STFC执行主席马克·汤姆森教授表示，这是令人兴奋的进展，因为结果表明，对这一过程的精确测量可能会导致新的物理，而不是20世纪70年代开发的粒子物理标准模型：

标准模型描述了宇宙的基本力量和基石。这是一个非常成功的理论，但有几个宇宙的奥秘是标准模型无法解释的，比如暗物质的性质和宇宙中物质-反物质失衡的起源。

物理学家们一直在寻找标准模型的理论延伸。对超罕见过程的测量为探索这些可能性提供了一条令人兴奋的途径，希望发现超越标准模型的新物理。

这项研究的英国参与者来自伯明翰大学、布里斯托尔大学、格拉斯哥大学和兰开斯特大学，并得到了STFC的资助，STFC是英国研究和创新部门的一部分，也得到了皇家学会和欧洲研究理事会(ERC)的资助。

NA62实验是由欧洲核子研究组织(CERN)加速器复合体提供的一种独特的高强度质子束产生的，NA62实验已经设计和建造，并做出了重大贡献，专门用于测量这些超罕见的Kaon衰变。这些介子是由欧洲核子研究中心(CERN)的超质子同步加速器(SPS)的高能质子与一个静止的铍目标碰撞而成的。这就产生了一束次级粒子束，每秒包含并传播近10亿个粒子，其中约6%是介子。NA62的主要目的是精确测量带电的介子粒子如何衰变成π介子和中微子-反中微子对。英国在K+→π+νν衰变分析中具有强大的领先地位。

这个Kaon衰变过程被称为黄金通道，因为它既是超罕见的，又在标准模型中预测得很好。伯明翰大学粒子物理学家、NA62的发言人克里斯蒂娜·拉兹泽罗尼(Cristina Lazzeroni)教授解释说，对于正在寻找新物理的科学家来说，捕捉并拥有真正的希望是非常困难的。

这是我们第一次能够获得这种衰变过程的重要实验证据。这是一个激动人心的时刻，因为它是朝着捕捉衰变的精确测量和识别可能偏离标准模型的方向迈出的根本一步。

反过来，这将使我们能够找到理解我们宇宙的新方法。NA62实验中开发的仪器和技术将导致下一代稀有介子衰变实验。

新的测量结果达到了30%的精度，给出了这一过程到目前为止最精确的测量结果。结果与标准模型的期望值一致，但仍为新粒子的存在留下了空间。

需要更多的数据才能就是否存在新物理得出明确的结论。

STFC欧内斯特·卢瑟福德研究员、兰开斯特大学的朱塞佩·鲁杰罗博士自2016年以来一直是这项测量的首席分析师，并帮助创建了这项实验。他说：

分析实验数据是一个真正的挑战。我们不得不压制大量不需要的数据，大约一万亿倍。我们必须在不丢失我们想要探测的微小信号的情况下做到这一点。这比大海捞针更具挑战性！我们使用了一种称为盲分析技术的方法。之所以这样说，是因为分析过程没有查看信号应该在的区域或盲盒中。"；

STFC还资助了两个欧内斯特·卢瑟福奖学金，一个在利物浦大学，然后是兰开斯特，另一个在伯明翰大学。此外，伯明翰大学的三名博士生得到了STFC的支持，其中一人现在担任该项目的博士后研究员。所有五位职业生涯早期的物理学家都参与了这个项目。

这项研究中使用的数据是2016-2018年间在法国欧洲核子研究中心的Prevevin站点获得的，研究涉及来自31个机构的200多名科学家。新的数据采集阶段将于2021年开始，这将使NA62的合作能够在新物理问题上给出更明确的答案。

新的结果来自于对到目前为止收集的完整的NA62数据集的详细分析，对应于6×1012Kaon衰变的曝光。因为被测量的过程非常罕见，团队必须特别小心，不要做任何可能会影响结果的事情。出于这个原因，这个实验是以盲目分析的方式进行的，物理学家最初只看背景来检查他们对各种来源的理解是正确的。

只有当他们对此感到满意时，他们才会查看预期信号所在的数据区域；这称为盲目分析。经过盲目分析，在2018年收集的主要数据集中观察到17个K+→π+νν候选者，显示出明显超出预期背景的只有5.3%的事件。

这种过剩导致了这一过程的第一个证据(在三西格玛水平以上具有统计学意义)。衰减率，测量到30%的精度，给出了这个过程到目前为止最精确的测量。结果与标准模型的期望值一致，但仍为新的物理效应留下了空间。需要更多的数据才能就是否存在新物理得出明确的结论。

对于超罕见的K+→π+νν衰变，这种称为分枝比的过程发生的概率非常小，并在粒子物理标准模型中进行了高精度的预测：(8.4µ1.0)×10-11。这导致了对标准模型描述之外的可能现象的异常敏感，使这种衰变成为黄金模式，也就是粒子物理学精确前沿最有趣的观测之一。然而，由于微速率、末态中微子对和巨大的潜在背景过程，实验研究极具挑战性。由于NA62实验的特点，它对各种稀有的介子衰变和奇异过程具有极好的敏感性。

NA62协作正准备在2021-24年收集更大的数据集，届时CERN SPS将重新启动操作，通过改进的光束线和探测器设置以更高的光束强度获取数据。下一个目标是对K+→π+νν衰变进行五西格玛观测，然后测量衰减率到10%的精确度，从而为粒子物理标准模型提供一个强大的独立测试。一项对衰减率非常敏感的新计划的地平线现在已经指日可待，远低于10-11的水平。

在更长的将来，一个高强度的克子束计划正在开始形成，有望测量K+→π+νν衰变到几%的精度，解决类似中性Kon的问题，KL→π0νν，并达到对大量稀有Kon衰变的极端敏感性，这些都是对美夸克部门的研究的补充。引用：欧洲核子研究中心的NA62实验报告了可能导致新物理的超罕见过程的第一个证据(2020年7月28日)，从https://phys.org/news/2020-07-cern-evidence-ultra-rare-physics.html检索到2020年7月29日。

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