CERN粒子加速器觀測到百億分之一的罕見事件

對於粒子物理學家來說，最令人興奮的莫過於將粒子相互碰撞，並觀察碰撞後產生的結果。這類實驗不僅能幫助我們找到粒子物理標準模型所預測的粒子與過程（例如希格斯玻色子），有時還能暗示我們可能忽略了某些現象，例如B介子的衰變。

「標準模型描述了宇宙的基本作用力與組成元素。它是一個極為成功的理論，但仍有許多宇宙之謎無法用標準模型解釋，例如暗物質的本質以及宇宙中物質與反物質不平衡的起源。」2020年，科學與技術設施委員會主席、NA62實驗參與者Mark Thomson教授如此解釋。「物理學家一直在尋找標準模型的理論擴充套件。對極罕見過程的測量為探索這些可能性提供了一條令人興奮的途徑，並有望發現超越標準模型的新物理學。」

NA62實驗正在探測的一個極罕見事件是帶電K介子衰變為帶電π介子及一對中微子與反中微子。K介子，又稱K mesons，是一種奇異（有時是反奇異）的粒子。質子與中子通常由三個夸克組成：質子由兩個上夸克與一個下夸克組成，中子則由一個上夸克與兩個下夸克組成。而K介子則由兩個夸克組成，這些夸克可能是上夸克與反上夸克，或是奇夸克與反奇夸克的組合。

帶電K介子（K⁺）由一個上夸克與一個反奇夸克組成。它們之所以特別引人注目，是因為其衰變過程被標準模型精確預測。根據這些預測，每100億個帶電K介子中，只有不到1個會衰變為帶電π介子及一對中微子與反中微子（K⁺ → π⁺νṽ）。NA62實驗試圖透過將高強度質子束撞擊固定靶來尋找這種衰變，從而產生可被探測、測量與識別的次級粒子（儘管中微子是透過能量缺失來識別的）。

2020年，研究團隊報告了實驗中探測到這種罕見衰變的證據。如今，在進行了更多碰撞（包括更高能量的碰撞）後，團隊報告了一個5-sigma的探測結果，這意味著探測結果是統計誤差的機率僅有0.00006%。「透過這項測量，K⁺ → π⁺νṽ成為在發現層面上確立的最罕見衰變——著名的5 sigma。」伯明罕大學粒子物理學教授Cristina Lazzeroni在一份宣告中表示。「這項困難的分析是優秀團隊合作的成果，我對這一新結果感到無比自豪。」

儘管這種衰變如標準模型所預測的那樣罕見，但其發生頻率卻比預期高出約50%，約為每100億次中發生13次。目前尚不清楚是什麼原因導致標準模型的預測與觀測結果之間存在差異，可能的解釋包括新粒子或新物理學的出現，這兩者都令人相當興奮。

「這是一個始於十多年前的長期專案的巔峰之作。尋找自然界中發生機率約為10^-11的效應既迷人又具挑戰性。」佛羅倫斯大學的Giuseppe Ruggiero教授補充道。「經過嚴謹而艱辛的工作，我們獲得了令人驚嘆的回報，並交付了一個期待已久的結果。」

儘管團隊已在CERN宣佈並展示了結果，但完整的論文與進一步的實驗將陸續發表。團隊在CERN EP研討會上展示了他們的研究成果。