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为什么“X17”粒子和新的第五种基本力很可能不存在
最后更新: 2019-12-12 08:40:48如果我们想给这些新结果一个适当的分析,我们需要保证我们提出了正确的问题。实验是怎样进行的?原始数据是什么?数据分析是如何进行的?它是独立验证的吗?这些数据和我们采集的其他数据一致吗?看似可信的理论解释是什么,我们有多确信它们是正确的?最后,如果这一切都成立了,我们如何验证真的存在一种新的粒子伴随着一种新的基本力?
当你让任意两个粒子碰撞时,会探测到碰撞粒子的内部结构。如果其中一个不是基本粒子,而是一个复合粒子,碰撞实验可以揭示其构成。这里设计了一个实验,来测量暗物质/核子散射信号。然而,许多平凡的背景贡献可能会产生类似的结果。这个特殊的假设场景将在锗、液态氙和液态氩探测器中创建一个可观察到的信号
这些“新粒子”的发现公布,其背后的实验可以追溯到许多年前,尽管它的历史丰富多彩(包括多次宣布发现了虚假的、未经证实的结果),但它其实是一个非常简单直接的核物理实验。
一般考虑原子核时,可能只会想到元素周期表和每个元素相关的(稳定的)同位素。但是其实元素也有很多不稳定的、短暂的状态,这些状态可能在短期内就衰变掉了。例如,碳在宇宙中的形成是通过“三α过程”实现:三个氦核(每个氦核有2个质子和2个中子)融合到铍-8,而铍-8在衰变前仅存在非常短的时间。如果你能足够快地在铍-8裂变之前又碰撞第三个氦原子核,你就可能以激发态产生碳-12,然后在发射出伽马射线后,它又会衰变回正常的碳-12。
发生在恒星中的“三α过程”,是宇宙产生碳元素和更重元素的主要方式,但它需要第三个氦-4核与铍-8在后者裂变之前发生聚变反应,否则铍-8会回到两个氦-4核。但如果铍-8形成时是在激发态,它必须先释放出高能伽马射线然后裂变
虽然这(上述物理过程)在恒星的红巨星阶段很容易发生,但在实验室的试验中很难发生。因为它需要在高能量下控制处于不稳定状态的原子核。然而,我们可以很容易的制造出铍-8。我们不是通过将两个氦-4原子核结合,而是将锂-7(3个质子和4个中子)与一个质子结合,在激发态下产生铍-8。
理论上,铍-8应该会衰变为两个氦-4原子核,但由于我们使它处于激发态,它需要在衰变前发放射出伽马射线光子。如果我们让铍-8处于静止状态,光子应该有一个可预测的能量分布。为了保存能量和动量,光子相对于静止的铍-8原子核的动能应该有一个概率分布。
然而,超过一定能量之后,你可能看不到光子。这是因为爱因斯坦方程E=mc2说质能可以互换,所以你观测到的可能是一个粒子-反粒子对,也就是电子和正电子。根据光子的能量和动量,你可以计算电子和正电子轨迹之间的特殊角度分布;定性来说,随着电子和正电子轨迹之间的角度增加,所观测到的正负电子对的数量降低。
云室中不稳定粒子的衰变轨迹,使我们能够重建原始反应物。侧面的“V”形轨迹之间的开口角度会告诉你衰变进入它们的粒子的能量
早在2015年,由阿提拉•卡撒兹纳霍凯(Attila Krasznahorkay)领导的匈牙利团队进行了上述实验的(电子和正电子轨迹之间角度)测量,并得到一些非常惊讶的发现:他们的结果与标准的核物理预测不符。相反,一旦角度上升到140度左右,这样的正负电子对数量突增(在正负电子对随角度变化的曲线上制造了一个“凸起”)。当角度继续增大时,正负电子对的数量又重新降低。这种现象被称为Atomki异常(Atomki指的是匈牙利科学院核研究所,阿提拉•卡撒兹纳霍凯领导的团队属于该研究所),其显着性为6.8西格玛(西格玛值在统计学中表示标准差),这似乎远远超过了统计波动的范围。该研究小组提出了不同寻常的解释,认为这可能是由于一种新的光粒子,这种效应以前从未被探测到。
但是,在一个地方进行的一项实验产生了一个意想不到的结果,这并不代表可以宣称有科学突破。充其量,这仅仅暗示着一个新物理现象的可能存在,但是也同时可能是许许多多其他的解释,其中最坏的情况是,实验完全是错误的。
红色标记出了原始数据中过量的信号,现在被称为原子异常的潜在新发现。虽然看起来差别不大,但这是一个令人难以置信的具有统计意义的结果
最近又引发大量关注是因为同一个团队做了一个新的实验,这次他们先制造一个处于高能激发态的氦-4原子核,这个原子核也会通过发射一个伽马射线光子来衰变。在足够高、超过一定阈值的能量下,伽马射线同样会转化为电子/正电子对,他们就再次测量不同开口角出现的频率。实验结果是又一次有异常的正负电子对盈余,这个盈余出现在与上次实验相似的能量下,但是对应的角度变小了。这一次,他们号称的统计显着性是7.2西格玛,还是比统计波动大得多。此外,这个现象也同样可以用一个新粒子来解释,而这里的新粒子对应着一种新的基本力。
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