欧洲核子研究中心的大型强子对撞机可用于研究多种基本粒子，包括神秘而罕见的tau粒子。
在欧洲核子研究中心的一项突破中，科学家们利用大型强子对撞机中的近靶粒子相互作用测量了难以捉摸的tau粒子的磁矩。这种方法标志着粒子物理学的重大进步，有可能揭示宇宙基本性质的未知方面。
物理学家寻找揭示宇宙奥秘的线索的一种方法是将物质粉碎在一起并检查碎片。但是这些破坏性的实验虽然提供了令人难以置信的信息，但也有局限性。
我们是两位科学家，在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上研究核物理和粒子物理。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个非凡而创新的实验。
在《物理评论快报》上发表的一篇新论文中，我们和同事们开发了一种新方法来测量一种叫做tau的粒子的摆动速度。
我们的新方法关注的是进入加速器的粒子相互擦身而过的时间，而不是它们在正面碰撞中相撞的时间。令人惊讶的是，这种方法能够比以前的技术更精确地测量tau粒子的摆动。这是近20年来科学家们第一次测量到这种被称为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。
电子、介子和陶子在磁场中都像陀螺一样摆动。测量摆动速度可以为量子物理学提供线索。来源:刘杰，CC BY-ND
电子是原子的组成部分，它有两个更重的表亲，分别是μ子和τ子。Taus是这个三大家族中最重的，也是最神秘的，因为它们只存在很短的时间。
有趣的是，当你将电子、介子或tau放入磁场中时，这些粒子的摆动方式与桌子上旋转的陀螺的摆动方式相似。这种摆动被称为粒子的磁矩。利用粒子物理学的标准模型——科学家们关于粒子相互作用的最佳理论——来预测这些粒子的摆动速度是可能的。
自20世纪40年代以来，物理学家一直对测量磁矩以揭示量子世界中有趣的效应感兴趣。根据量子物理学，粒子云和反粒子云不断地出现和消失。这些短暂的波动稍微改变了磁场中电子、μ子和τ子摆动的速度。通过非常精确地测量这种摆动，物理学家可以窥视这团云，以发现未被发现的粒子的可能线索。
在粒子物理学的标准模型中，电子、μ子和τ子是三种密切相关的粒子——科学家们目前对自然基本定律的最佳描述。信贷:MissMJ / WikimediaCommons
1948年，理论物理学家朱利安·施温格(Julian Schwinger)首次计算出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的速度，精确到小数点后13位。
粒子越重，由于未被发现的新粒子潜伏在其量子云中，它的摆动变化就越大。由于电子很轻，这限制了它们对新粒子的敏感性。
μ子和τ子比电子重得多，但寿命也短得多。虽然μ子只存在几微秒，但芝加哥附近费米实验室的科学家们在2021年测量了μ子的磁矩到小数点后10位。他们发现，μ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子的量子云中。
Taus是这个家族中最重的粒子——比μ子重17倍，比电子重3500倍。这使得它们对量子云中潜在的未被发现的粒子更加敏感。但taus也是最难观测到的，因为它们的寿命只有μ子存在时间的百万分之一。
迄今为止，对tau磁矩的最佳测量是在2004年用欧洲核子研究中心一台现已退役的电子对撞机完成的。尽管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，该实验只能将tau的摆动速度测量到小数点后两位。不幸的是，为了测试标准模型，物理学家需要精确10倍的测量。
与两个原子核正面碰撞产生tau粒子不同的是，两个铅离子可以几乎擦肩而过地从对方身边擦过，仍然产生tau粒子。来源:刘杰，CC BY-ND
自从2004年测量tau的磁矩以来，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撞在一起，这就是为什么它被称为对撞机。这些正面碰撞产生了烟花般的碎片，其中可能包括tau，但嘈杂的环境阻碍了对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，主要是为了让核物理学家研究迎面碰撞中产生的外来热物质。在这个实验中使用的粒子是被剥夺了电子的铅原子核——称为铅离子。铅离子带电，产生强大的电磁场。
铅离子的电磁场中含有被称为光子的光粒子。当两个铅离子碰撞时，它们的光子也会碰撞，并将它们所有的能量转化为一对粒子。科学家就是用这些光子碰撞来测量μ子的。
这些铅离子实验于2018年结束，但直到2019年，我们中的一个人杰西·刘(Jesse Liu)与英国牛津的粒子物理学家莉迪亚·贝雷斯福德(Lydia Beresford)合作，才意识到来自相同铅离子实验的数据可能被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:铅离子太小了，在碰撞实验中经常会错过对方。但偶尔，离子会非常靠近彼此而不接触。当这种情况发生时，伴随它们的光子仍然会撞在一起，而离子则继续欢快地飞行。
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子一样，也可以产生陶子。但是，如果没有正面碰撞产生的混乱烟花，这些擦肩而过的事件要安静得多，并且是测量难以捉摸的tau特征的理想选择。
令我们兴奋的是，当研究小组回顾2018年的数据时，这些铅离子确实在制造tau粒子。有一个新的实验隐藏在众目睽睽之下!
大型强子对撞机在试图将粒子粉碎之前将粒子加速到令人难以置信的高速度，但并不是所有的尝试都能成功碰撞。图片来源:Maximilien Brice/CERN
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近距离撞击产生tau粒子的直接证据。利用这些数据，研究小组还能够测量tau磁矩——这是自2004年以来第一次进行这样的测量。最终结果于2023年10月12日公布。
这个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年记录的一个月的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，这一结果为测试标准模型预测所需的精度提高10倍开辟了一条全新而重要的道路。令人兴奋的是，更多的数据即将出炉。
2023年9月28日，大型强子对撞机在例行维护和升级后，刚刚重启铅离子数据采集。我们的团队计划到2025年将铅离子近靶数据的样本量增加四倍。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粒子是物理学家通往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性质的惊喜感到兴奋。
作者:jesse Liu -剑桥大学物理学研究员dennis V. Perepelitsa -科罗拉多大学博尔德分校物理学副教授
改编自一篇最初发表于The Conversation的文章。
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