科学家使用对撞机中未成功撞击的粒子来测量tau粒子属性

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两个铅离子不是正面碰撞两个原子核以产生tau粒子，而是可以在差点错过时相互呼啸而过，并且仍然产生tau。资料来源：Jesse Liu，CC BY-ND

物理学家寻找线索解开宇宙奥秘的一种方法是将物质粉碎在一起并检查碎片。但这些类型的破坏性实验虽然信息量很大，但也有局限性。

我们是两位科学家，他们使用CERN在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机研究核物理和粒子物理学。我们的团队与一个由核和粒子物理学家组成的国际小组合作，意识到隐藏在先前研究数据中的是一项非凡的创新实验。

在《物理评论快报》上发表的一篇新论文中，我们与同事一起开发了一种新方法，用于测量称为tau的粒子摆动的速度。

我们的新方法着眼于加速器中进入的粒子相互呼啸而过的时间，而不是它们在正面碰撞中撞在一起的时间。令人惊讶的是，这种方法能够比以前的技术更准确地测量tau粒子的摆动。这是近20年来科学家首次测量这种被称为tau磁矩的摆动，它可能有助于阐明已知物理定律中出现的诱人裂缝。

为什么要测量摆动？

电子是原子的组成部分，有两个更重的表亲，称为μ介子和tau。陶斯是这个三口之家中最重的，也是最神秘的，因为他们只存在极短的时间。

有趣的是，当你将电子、μ介子或tau放在磁场中时，这些粒子的摆动方式类似于陀螺在桌子上摆动的方式。这种摆动称为粒子的磁矩。使用粒子物理学的标准模型可以预测这些粒子的摆动速度 - 科学家关于粒子如何相互作用的最佳理论。

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电子、μ介子和陶斯都在磁场中像陀螺一样摆动。测量摆动速度可以为量子物理学提供线索。资料来源：Jesse Liu，CC BY-ND

自1940年代以来，物理学家一直对测量磁矩感兴趣，以揭示量子世界中有趣的效应。根据量子物理学，粒子云和反粒子云不断出现和消失。这些短暂的波动略微改变了电子、μ介子和tau在磁场内摆动的速度。通过非常精确地测量这种摆动，物理学家可以窥视这个云，以发现未被发现的粒子的可能迹象。

测试电子、μ介子和陶斯

1948年，理论物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）首次计算了量子云如何改变电子的磁矩。从那以后，实验物理学家测量了电子摆动到令人难以置信的小数点后13位。

粒子越重，它的摆动就越会因为潜伏在其量子云中的未被发现的新粒子而变化得越多。由于电子非常轻，这限制了它们对新粒子的敏感性。

μ介子和陶斯比电子重得多，但寿命也短得多。虽然μ介子只存在几微秒，但芝加哥附近费米实验室的科学家在2021年将μ介子的磁矩测量到小数点后10位。他们发现μ介子的摆动速度明显快于标准模型的预测，这表明未知粒子可能出现在μ介子的量子云中。

Taus是该家族中最重的粒子 - 比μ介子大17倍，比电子重3,500倍。这使得它们对量子云中可能未被发现的粒子更加敏感。但taus也是最难看到的，因为它们只活了μ介子存在的百万分之一。

迄今为止，对tau磁矩的最佳测量是在2004年使用CERN现已退役的电子对撞机进行的。虽然这是一项令人难以置信的科学壮举，但经过多年的数据收集，该实验可以测量tau摆动的速度，只有小数点后两位。不幸的是，要测试标准模型，物理学家需要10倍的精度测量。

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电子、μ介子和陶斯是粒子物理学标准模型中三个密切相关的粒子，这是科学家目前对自然基本定律的最佳描述。资料来源：MissMJ，Cush/Wikimedia Commons

铅离子用于差点失误的物理

自2004年测量tau的Magene时刻以来，物理学家一直在寻找测量tau摆动的新方法。

大型强子对撞机通常将两个原子的原子核粉碎在一起 - 这就是为什么它被称为对撞机。这些正面碰撞产生了包括taus在内的碎片烟花表演，但嘈杂的条件阻碍了对tau磁矩的仔细测量。

从2015年到2018年，欧洲核子研究中心进行了一项实验，主要目的是让核物理学家研究迎面碰撞中产生的奇异热物质。这个实验中使用的粒子是被剥夺了电子的铅核 - 称为铅离子。铅离子带电并产生强电磁场。

铅离子的电磁场包含称为光子的光粒子。当两个铅离子碰撞时，它们的光子也可以碰撞并将所有能量转化为一对粒子。科学家用来测量μ介子的正是这些光子碰撞。

这些铅离子实验于2018年结束，但直到2019年，我们中的一位Jesse Liu才与英国牛津的粒子物理学家Lydia Beresford合作，并意识到来自同一铅离子实验的数据可能用于做一些新的事情：测量tau的磁矩。

这一发现完全出乎意料。它是这样的：铅离子是如此之小，以至于它们在碰撞实验中经常相互错过。但偶尔，离子彼此非常接近而不接触。当这种情况发生时，它们伴随的光子仍然可以撞击在一起，而离子继续在它们快乐的道路上飞行。

这些光子碰撞可以产生各种各样的粒子——就像之前实验中的μ介子一样，也可以产生taus。但是，如果没有正面碰撞产生的混乱烟花，这些险些错过的事件要安静得多，非常适合测量难以捉摸的tau的特征。

令我们兴奋的是，当团队回顾2018年的数据时，这些铅离子几乎没有失误正在产生tau粒子。有一个新的实验隐藏在众目睽睽之下！

二十年来首次测量tau摆动

2022 年 4 月，欧洲核子研究中心团队宣布，我们已经发现了铅离子未命中时产生的 tau 粒子的直接证据。利用这些数据，该团队还能够测量tau磁矩 - 这是自2004年以来首次进行此类测量。最终结果于2023年10月12日公布。

这一具有里程碑意义的结果测量了tau摆动到小数点后两位。令我们惊讶的是，这种方法仅使用2018年记录的一个月数据就与之前的最佳测量结果持平。

在近20年没有实验进展之后，这一结果开辟了一条全新的重要道路，使测试标准模型预测所需的精度提高了十倍。令人兴奋的是，更多的数据即将出现。

大型强子对撞机经过例行维护和升级后，于2023年9月28日重新启动了铅离子数据收集。我们的团队计划到2025年将铅离子未遂数据的样本量翻两番。数据的增加将使tau磁矩测量的精度提高一倍，分析方法的改进可能会更进一步。

Tau粒子是物理学家了解神秘量子世界的最佳窗口之一，我们对即将到来的结果可能揭示宇宙基本本质的惊喜感到兴奋。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

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原标题：《科学家使用对撞机中未成功撞击的粒子来测量tau粒子属性》

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