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更新日期:104年5月22日

臺大高能物理揭露新稀有粒子衰變刊載《Nature》期刊

2015 年 5 月 13 日登載在《自然》期刊:〈大強子對撞機 LHC 的 CMS 與 LHCb 實驗組共同宣布發現極稀有的 B0s 粒子到雙渺子衰變〉,臺大高能實驗組自 2013 到 2014 年由擔任 CMS「B物理」召集人陳凱風教授肩負內部協調並對外與 LHCb 實驗聯絡的重任。前一篇的日本 Belle實驗 2008 年論文,則由張寶棣教授與侯維恕教授主導。

這是 CMS 與 LHCb 實驗首次共同分析數據,而令人興奮的結果是眾多實驗搜尋近三十年的重要里程碑,對搜尋超越標準模型新現象與新粒子有重要影響。搜尋新粒子與探索稀有衰變乃是發現新物理互補的兩條戰略。幾個禮拜後大強子對撞機將重新進入更高能的物理運轉,各實驗測量這些關鍵衰變的靈敏度將隨數據量穩健增長,從而可對標準模型可行的擴展提供限制。

2015 年 5 月 13 日登載在《自然》期刊的論文中,大強子對撞機 LHC 的 CMS 與 LHCb 實驗組共同宣布發現極稀有的 B0s 粒子到雙渺子衰變。標準模型理論預測這個稀有次原子衰變過程每十億次只發生四回,但至今從來沒被看到過。探討這類衰變可開啟如超對稱或其他超越標準模型理論之門。這次分析的數據來自 2011 與 2012 年的 LHC 運轉,還附帶提供了一個初期徵兆,乃是來自 B0s 的近親 B0 的類似、但更難得一見的雙渺子衰變。B0s 與 B0 都是介子,是由一顆奇(s)或下(d)夸克與一顆反底(b)夸克組成、藉強作用綁在一起的次原子粒子。這些粒子只在高能對撞中產生,如粒子加速器、或在自然界中的宇宙線交互作用。這個結果是兩個不同實驗合作無間的極佳範例,示範了聯合各實驗數據時所能達到的更高精確度。兩個實驗原先已在 2013 年公布了各自的 B0s 介子衰變結果。雖然兩個結果彼此十分一致,但都沒有達到能宣告發現的慣例所需的「5 標準差」統計精確度。聯合數據分析則輕易的超過標準,達到 6.2 標準差,但略低於預期的 7.4 標準差。這是 CMS 與 LHCb 實驗首次共同分析數據,而令人興奮的結果是眾多實驗搜尋近三十年的重要里程碑,對搜尋超越標準模型新現象與新粒子有重要影響。搜尋新粒子與探索稀有衰變乃是發現新物理互補的兩條戰略。幾個禮拜後大強子對撞機將重新進入更高能的物理運轉,各實驗測量這些關鍵衰變的靈敏度將隨數據量穩健增長,從而可對標準模型可行的擴展提供限制。

此次大強子對撞機的《自然》期刊論文,臺大高能實驗組有重大貢獻。論文於 2014 年 11 月在 CMS與 LHCb 實驗間共同完稿、投遞,需要極多的聯絡與協調。跨越不同實驗組的協調最是不易。在 2013 到 2014 年任 CMS「B物理」召集人的臺大陳凱風教授,正是肩負 CMS 內部協調並對外與 LHCb 實驗聯絡的重任。陳教授更因實際需要,投身 CMS 物理分析,將百來個參數統合起來,有決定性貢獻,也動用了臺大高能組的運算 PC 叢集。而過去五年臺大高能組侯維恕教授所獲科技部學術攻頂計畫、並臺大經費的支持,讓臺大參與 CMS 實驗無論在硬體製作與軟體、物理分析上有完整參與的堅實基礎,團隊的支援更是功不可沒。臺大團隊藉攻頂計畫所參與的 CMS 實驗「畫素偵測器」第一階段升級,正是與此篇論文核心貢獻者瑞士聯邦研究院 PSI 共同合作,預計明年底裝入 CMS 偵測器。此篇《自然》期刊論文,乃是歷來所有 B 物理相關的第二篇,前一篇的日本 Belle 實驗 2008 年論文,更是由臺大張寶棣教授與侯維恕教授領銜主導。

  • CMS 偵測器所記錄的 B0s 介子到雙渺子衰變的一個可能事件。紅色曲線為兩顆渺子在偵測器裡的軌跡。

    CMS 偵測器所記錄的 B0s 介子到雙渺子衰變的一個可能事件。紅色曲線為兩顆渺子在偵測器裡的軌跡。

  •  CMS 偵測器與其主要架構圖。臺大與中大合建了圖中的Preshower子偵測器,而臺大團隊目前參與軌跡儀Tracker的畫素偵測器第一階段升級建造。

    CMS 偵測器與其主要架構圖。臺大與中大合建了圖中的Preshower子偵測器,而臺大團隊目前參與軌跡儀Tracker的畫素偵測器第一階段升級建造。

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