科学家首次直接观察到粒子物理学中的死角效应

大型强子对撞机(LHC)的ALICE合作项目的研究人员首次直接观察到了死角效应(dead-cone effect)--这是强力理论的一个基本特征,它将夸克和胶子结合在一起,形成质子、中子,并最终形成所有原子核。除了证实这一效应之外,周四发表在《自然》杂志上的一篇论文中所报告的观察结果,提供了直接的实验途径,以了解单个粲夸克(Charm quark)在被限制在强子内之前的质量。

“直接观察死角一直是非常具有挑战性的,”ALICE发言人Luciano Musa说。“但是,通过使用来自LHC的质子-质子对撞的三年数据和复杂的数据分析技术,我们终于能够揭开它。”

夸克和胶子,统称为部分子,在粒子碰撞中产生,比如在大型强子对撞机上发生的那些。在它们产生之后,部分子经历了一连串被称为“部分子雨”(parton shower)的事件,它们通过以胶子的形式发射辐射而失去能量,而胶子也会发射出胶子。这种“雨”的辐射模式取决于发射胶子的部分子质量,并在部分子飞行方向周围显示一个胶子发射被抑制的区域--死角。

科学家首次直接观察到粒子物理学中的死角效应

30年前,根据强力理论的第一原理预测,死角已经在粒子对撞机上被间接观察到。然而,要从部分子雨的辐射模式中直接观察到它,仍然具有挑战性。其主要原因是,死角可能被发射出的粒子所填满,而在整个部分子雨过程中,很难确定部分子的变化方向。

ALICE合作组织通过将最先进的分析技术应用于LHC的质子-质子对撞的大样本,克服了这些挑战。这些技术可以从它的最终产品--被称为射流的粒子喷流在ALICE探测器中留下的信号--中及时回滚。通过寻找包括含有粲夸克的粒子的射流,研究人员能够识别由这种类型的夸克创造的射流,并追溯夸克的整个胶子排放历史。然后,将粲夸克的胶子发射模式与胶子和实际上无质量的夸克的胶子发射模式进行比较,发现粲夸克的模式有一个死角。

这一结果也直接暴露了粲夸克的质量,因为理论预测,无质量的粒子没有相应的死角。

“夸克质量是粒子物理学中的基本量,但是它们不能在实验中直接获取和测量,因为除了顶夸克之外,夸克被限制在复合粒子内部,”ALICE物理学协调员Andrea Dainese解释说。“我们成功地直接观察到了一个部分子雨的死角,这可能提供了一种测量夸克质量的方法。”

编辑:随心

原文:https://www.cnbeta.com/articles/science/1271685.htm

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