極少數情況下，一種被稱為卡on的轉瞬即逝的粒子會產生，然後迅速衰變為三個其他難以捉摸的實體。這種情況是否以特定方式發生對我們大多數人幾乎沒有影響，我們將在不知情的情況下繼續生活。但是對於幾十年來一直在尋找這種神秘過程的物理學家來說，這非常重要；找出它發生的頻率可能會揭示我們宇宙的隱藏方面。
現在，科學家們首次觀察到了這種罕見的衰變，他們發現它發生的機率可能略高於預測的約百億分之一的機率。如果事實證明如此，那麼一定有一些看不見的因素在干擾衰變——可能是自然界中以前未識別的新粒子或力。
這一發現在位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN) NA62 實驗中取得，並於上週宣佈。“這很重要，”慕尼黑工業大學的理論物理學家安傑伊·布拉斯說。三十年前，布拉斯和他的學生格哈德·布查拉首次對根據粒子物理學標準模型衰變發生的頻率進行了高階理論預測。他對結果證明比預期的更常見“感到樂觀”，但他警告說，實驗的發現尚不足以肯定地說。“人們很興奮，”布拉斯說。“我預計在幾周內，您會發現許多新的論文[試圖解釋結果]，每篇論文都會聲稱不同的東西。”
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正在研究的不太可能的過程始於卡on，它們非常奇怪——字面意義上。它們包含“奇異夸克”，比原子內部的夸克更奇怪、更重。卡on 最初於 1947 年被發現，在自然界中並不常見，但可以在粒子探測器內部產生，也可以透過宇宙射線撞擊地球大氣層產生。卡on 很快衰變成許多不同的其他粒子。但是剛剛觀察到的特定衰變在正常情況下根本不會發生。
為了捕捉到卡on 的作用，實驗將質子束噴射到不動的鈹原子目標上。碰撞產生大量的卡on 以及其他物質。然後，卡on 沿著大約 150 米長的真空隧道飛行。在旅程中，它們會衰變。隧道的末端是一個探測器，旨在測量穿過它的每個粒子的身份、速度和能量。只有排除其他一切，物理學家才能專注於他們尋求的罕見事件：卡on 衰變成介子（一種由“上”夸克和“反下”夸克組成的粒子），以及中微子和反中微子。“實驗的目的是以 100% 的效率看到一切——你不能錯過任何東西，”NA62 發言人、義大利佛羅倫薩大學和該國國家核物理研究所的朱塞佩·魯吉耶羅說。
這種衰變如此罕見，因為它需要“虛粒子”。量子力學的定律雖然很奇怪，但允許粒子憑空出現，然後迅速消失。有時，當一個粒子轉變成另一個粒子時，這些虛粒子會出現——並改變衰變的程序。例如，當卡on 衰變時，它們偶爾會受到虛版本的 W 和 Z 玻色子（已知攜帶弱核力的粒子）的干擾。正是這種干擾使卡on 能夠產生介子和兩個中微子，即 NA62 尋求的過程。標準模型——科學家擁有的最佳理論——預測這種情況在每 1000 億次衰變中精確發生八次。
如果它發生得更頻繁或更少，則必須發生其他事情——標準模型中描述之外的東西。“該模型執行良好，但我們有許多問題無法回答，”布拉斯說。“在我看來，最重要的兩個問題是暗物質的存在和我們自身的存在：為什麼宇宙中存在物質而沒有反物質？”
如果卡on 衰變的測量結果與標準模型不符，科學家可以得出結論，一定有其他未知種類的虛粒子混淆了這些衰變。新的測量結果發現，衰變大約在每 1000 億次衰變中發生 13 次——儘管估計不確定性約為 25%。 “這很有希望——它讓我們希望我們可能會發現與標準模型的偏差，”NA62 團隊成員、英國伯明翰大學物理學家、實驗前發言人克里斯蒂娜·拉澤羅尼說。“但從統計學上講，這不是證據。這就是為什麼我們需要更多資料。”
如果未來的測量結果證實衰變與預測相矛盾，則可能有幾種可能的虛粒子參與其中。
一種可能性是假設的粒子，稱為 Z′（發音為“Z prime”）玻色子。這將是已知的 Z 玻色子的重得多版本。Z′ 不像常規 Z 那樣攜帶弱力，而是攜帶其他東西。“它攜帶一種力，這種力可能可以揭示[物理學中的]未解決問題，但對我們的生活沒有直接影響，”布拉斯說。另一種選擇是擬議的粒子，稱為輕子夸克，它可以將夸克轉化為輕子（包含電子和中微子的類別），反之亦然。
雖然這兩種潛在的新粒子都不能直接解釋暗物質或我們宇宙的其他謎團，但發現它們可以為回答我們最大的一些問題鋪平道路。“這就像開啟一扇通往新世界的大門，”拉澤羅尼說。“根據您開啟的視窗，世界可能非常豐富。”
如果這些新粒子真的存在，它們可能會干擾世界各地實驗中正在尋找的其他罕見粒子衰變。在這種情況下，諸如歐洲核子研究中心 (CERN) 的 大型強子對撞機 beauty (LHCb) 實驗 以及日本的 Belle II 和日本質子加速器研究中心 (J-PARC) 實驗等專案也應該在其測量中看到與標準模型的偏差。
西北大學理論物理學家安德烈·德·古韋亞說，新的結果“非常有趣”。 “這種衰變被認為是非常乾淨的——這意味著我們可以非常精確地計算它——並且對假設的新現象非常敏感。”
NA62 實驗計劃再執行幾年。當它結束時，研究人員應該擁有大約是他們為這次測量分析的資料量的四倍，這將使他們能夠顯著提高探測的精度。德·古韋亞說，許多物理學家將急切地等待未來的分析。“我們可能正在走向在幾年內遇到一個嚴重的難題，”他補充道。