ATLAS实验寻找新的自然对称

   日期:2020-06-30     浏览:4    评论:0    
核心提示:ATLAS实验寻找新的自然对称通过ATLAS实验图1:寻找W’玻色子的13 TeV数据中发现的横向质量最高的电子通道事件的ATLAS事件显示。信

ATLAS实验寻找新的自然对称
通过ATLAS实验

图1:寻找W’玻色子的13 TeV数据中发现的横向质量最高的电子通道事件的ATLAS事件显示。信贷:阿特拉斯合作/欧洲核子研究中心
自然界的基本力量与相应的对称性密切相关。例如,电磁相互作用(或力)的性质可以通过要求描述它的理论在某个局部变换下保持不变(或不变)来推导。这种不变性被称为对称,就像一个物体在旋转或反射后看起来是一样的,就被称为对称。作用于粒子之间的力的特殊对称性称为规范对称性。


由此产生的带有这种力的规范玻色子是:无质量的光子用于电磁,无质量的胶子用于强相互作用,而有质量的W和Z玻色子用于弱相互作用。如果自然界存在我们目前所知之外的对称性,我们就可以观察到额外的力携带粒子。这类粒子以前没有被发现的事实表明它们可能非常重——太重了,以前的粒子对撞机不可能产生这么重的粒子。

我们倾向于认为这些假想粒子是W和Z玻色子的更重的版本,它们是目前已知的最重的基本粒子之一,我们称它们为W和Z玻色子。值得注意的是,正是W和Z玻色子的巨大质量使得弱相互作用显得如此微弱。据信,W玻色子和Z玻色子至少要比它们的对应粒子重几十倍,它们必须介导绝对微弱的相互作用。这就解释了为什么这种相互作用还没有被观察到。

图2:寻找Z玻色子过程中电子-正电子对质量的不变分布。信贷:阿特拉斯合作/欧洲核子研究中心
那么,ATLAS实验是如何发现W'和Z'玻色子的呢?它们应该存在吗?与30多年前在欧洲核子研究中心发现W和Z玻色子的方式完全相同。预计Z玻色子将衰变为带电的轻子对(电子-正电子或介子-反子),在其他拥挤的TeV碰撞环境中提供清晰的信号。衰变玻色子的静止质量(或不变质量)由测量的轻子动量计算。Z玻色子的存在将会在平滑下落的不变质量分布中表现为一个“碰撞”。W玻色子预计将衰变为带电轻子和中微子,这也是一个清晰的信号,尽管中微子没有被探测到,只是在碰撞事件的动量平衡中部分重建。在这种情况下,横向质量被计算为不变质量的估计,而W’玻色子将被视为相应分布中的一个碰撞。

测量的不变质量分布和横向质量分布分别如图2和图3所示。这些数据很好地符合来自已知过程的期望,并且没有发现统计上显著的凸起。基于预期的贡献从假设的W和Z的信号,显示为打开直方图分布在高端,过量的缺乏意味着如果W或Z玻色子的存在,他们必须质量高于大约4 - 5 TeV,大约50次Z玻色子的质量。随着阿特拉斯实验在未来几年继续获取数据,一种新的自然对称性仍有可能被揭开,有可能为基础物理学中一些关键的未解之谜提供答案。

 
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