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188体育8|为什么“X17”粒子和新的第五种基本力很可能不存在

作者:匿名 时间:2020-01-11 17:20:41

188体育8|为什么“X17”粒子和新的第五种基本力很可能不存在

188体育8,【译/程小康 校/王孟源】

物理学实验中经常出现与我们目前对宇宙的理解有矛盾的结果。其原因,有时是因为实验设计或执行步骤做错了,所以得到错误的结果。有时则是分析方法的问题,理解和诠释实验数据的思路错了。此外,有些时候实验是完全正确的,但是与实验对比的理论计算细节是错误的,这些计算必须重做,但并不影响原本理论架构的正确性。

2014年在大型强子对撞机(lhc)中,其发生的一次高能碰撞所产生的粒子轨迹,显示出许多新粒子的诞生。只要有足够的能量和足够多的碰撞,就有可能创造出自然界允许(存在)的任何新粒子。如果“x17”粒子是真实的,为什么之前的和如今的对撞机从来没有见过它?

在实验与理论计算有冲突的情况下,优先级最后的可能性才是我们发现了宇宙中的全新的东西。如果你阅读过有关第五基本力和新粒子(即“x17”粒子)可能存在的炒作文章,你或许会认为我们正处在一场科学革命的风口浪尖。

但这个“x17”粒子与第五基本力存在的假设几乎可以肯定是错误的,大量的科学证据可以证明这一点。以下是你需要知道的几点:

1976年fermilab测量出的电子-正电子对产生速率图 ,其函数方程中质量不变。在(横轴)能量为 6gev左右处出现的峰值最初被识别为一种新粒子,这种被命名为“oops-leon”粒子,后来发现它并不存在。这种被“oops(错误)”识别的情况在历史上多次出现

实验物理学是一个很困难的把戏,其中有许多可能的陷阱需要理解和跨越。多年来,物理学家对于宣布新的物理发现变得越来越谨慎,因为大量新发现被宣布并发表后,又必须被退回去。

上面所说的这一情况并不局限于早期历史上的事件(比如前文所说“oops-leon”粒子就是一个纯粹噪音式的统计波动,当时被错误地认知为新发现),也包括现代的例子(2010年以后),比如:

•比光还快的中微子是opera实验的结果,结果被发现是因为设备故障导致的。

•之前架设在南极的bicep2望远镜探测到的宇宙原初引力波,其实是由于对普朗克卫星和银河星际尘埃的错误假设导致的。

•lhc对撞机得到双光子输出盈余所揣测的新粒子,结果又只是一个统计波动,后来随着数据的增多而消失了。

【译者注:悟空卫星发现的所谓暗物质也是一个例子。】

2015年,利用lhc对撞机,欧洲的atlas与cms两个课题组在两个高能光子信号中意外地发现,在750gev附近似乎埋藏着另一个新粒子,之后的更多的统计数据证明,新粒子并不存在。这样的数据统计偏差就容易把科学家引入歧途

在科学领域,你不能害怕犯错误,但你必须意识到错误很常见,可能来自意想不到的地方。科学家的工作不应该是急着炒作自己一厢情愿的成功许愿,尽管这个可能性看来不是零。我们该做的是对整个实验进行细致地审查。只有抱着这样怀疑的心态,我们才能以客观、科学的态度分析和批判自己的实验证据,而这正是科学家的基本责任。

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。

现在,让我们更加深入的看看实验中到底发生了什么,看看我们能否发现(实验)缺点:如果存在错误,错在哪里。请注意,虽然这次是第二个发现同一结果的实验,但这两项实验是在相同的设施、相同的设备和相同的研究人员、使用相同的技术进行的。在物理学中,我们需要独立的验证,这里的两个实验不能算是独立的。

氙合作的自旋相关和自旋无关的结果表明,没有任何证据表明存在任何质量的新粒子,包括符合原子基异常的轻暗物质假说。一个新的粒子必须被直接和明确地检测到,然后才能被认为是“真实的”,而“x17粒子”迄今为止并没有出现在所有的直接检测实验中

其次,如果新粒子存在的话,有一些独立的实验应该已经创造或看到了它。对暗物质的研究应该能找到它存在的证据,然而事实并非如此。在一定能量下正负电子碰撞的轻子对撞机中应该早已经发现这种粒子的证据,但并没有看到。和众所周知的“喊狼来了”的男孩一样,这至少是该团队宣布的第四种新粒子,包括2001年(9兆电子伏)异常、2005年(多粒子)异常和2008年(12兆电子伏)异常,所有的这些都被证明是不可信的。

在atomki研究团队最新发表的论文中的图2中,氦-4的激发态被创造,衰变并产生电子-正电子对。校准(低能)数据以黑色显示,最佳拟合线以蓝色显示;感兴趣的(高能)数据用红色表示,最佳拟合线用绿色表示,重新标定的数据用蓝色表示

但最可疑的证据来自数据本身,在上面的图表中,你可以看看低能量校准数据。请注意到中间的近似曲线(深蓝色实线)与实验数据(黑点)总体上非常吻合,但是在100度到125度之间是例外。在这些情况下,数据不符合所谓的“良好校准”,因为实际被观察到的频率一直低于近似曲线。如果你只考虑100度到125度之间的数据,那么你绝对不会接受这个校准。然后,他们把校准过的曲线平移以适用于更高能量的数据(上升的蓝线),不出意料之外,在100度以下都很吻合,但是在100度以上你开始看到信号超量。

不过最大的问题是,不管校准是否有问题,这两次分别用了铍和氦的实验,没有任何物理上合理的原因会在不同角度上给出新粒子的信号。

在匈牙利科学院核研究所的入口处摆放的加速器模型,用于轰击锂并制造实验中使用的be-8,该加速器首次显示出粒子衰变方面的意外差异

在物理学中,遵循大自然给你的任何线索都是很重要的,因为今天的异常通常会导致明天的发现。有可能是一种新的粒子、相互作用或意想不到的现象在起作用,导致了这些奇异和意想不到的结果。但它更可能是实验本身的一个错误,比如实验中光谱仪设备的问题导致错误结果。

在我们直接探测到新粒子之前,请保持怀疑的态度。在完全独立的团队使用完全独立的设计,成功地复制前面的这两个实验结果之前,请保持极高度的怀疑。正如粒子物理学家don lincoln指出的那样,物理学历史上充斥着各种异想天开的说法,但阳光一照,这些说法就如朝雾一样消散。现在大家应有的态度,是假设x17是实验错误,而不是保证诺贝尔奖。

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