從巨大的星系到最小的夸克和膠子，現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)宇宙是如何工作的非常了解。盡管如此，對(duì)一些重大謎團(tuán)的答案仍然遙不可及，例如暗物質(zhì)的性質(zhì)和引力的起源。

加州理工學(xué)院的物理學(xué)家及其同事使用了位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核研究組織(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，它是目前存在的最大，功能最強(qiáng)大的粒子加速器，其緊湊型μ電磁閥(CMS)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了成功對(duì)非常罕見的事件的新觀察，可能有助于使物理學(xué)超越當(dāng)前對(duì)世界的理解。

新的觀察涉及同時(shí)產(chǎn)生三個(gè)W或Z玻色子，它們是攜帶弱力(四個(gè)已知基本力之一)的亞原子“介體粒子”，這是造成放射性現(xiàn)象以及太陽光中必不可少的成分的原因。熱核過程。

玻色子是一類粒子，其中還包括構(gòu)成光的光子。希格斯玻色子，被認(rèn)為是負(fù)責(zé)物質(zhì)的物質(zhì);和膠子，它們將核結(jié)合在一起。W玻色子和Z玻色子彼此相似，因?yàn)樗鼈兌汲休d弱力，但不同之處在于Z玻色子不帶電荷。這些玻色子與其他子原子粒子(例如膠子和中微子)一起存在，這被稱為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋。

加州理工學(xué)院的研究生Zhicai Zhang(MS '18)是高能物理研究團(tuán)隊(duì)的成員，該團(tuán)隊(duì)由Marvin L. Goldberger物理學(xué)教授Harvey Newman和尚義成大學(xué)物理教授Maria Spiropulu領(lǐng)導(dǎo)。新觀測的主要貢獻(xiàn)者之一，與其他團(tuán)隊(duì)成員一起工作。

當(dāng)已將加速到接近光速的高束高能質(zhì)子束沿著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的圓形路徑在幾個(gè)點(diǎn)發(fā)生正面碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生產(chǎn)生玻色子三重奏的事件。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，質(zhì)子中的夸克和膠子被迫分離開來，正好這樣，W和Z玻色子就會(huì)出現(xiàn)。在極少數(shù)情況下，它們顯示為三胞胎：WWW，WWZ，WZZ和ZZZ。紐曼說，這樣的三重W和Z玻色子僅產(chǎn)生于10萬億個(gè)質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中的一個(gè)。這些事件是使用CMS記錄的，CMS圍繞LHC路徑中的一個(gè)碰撞點(diǎn)。張說，這些事件比發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的事件少50倍。

紐曼說：“隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生大量碰撞，我們可以看到非常罕見的事情，例如產(chǎn)生這些玻色子的過程。”

W和Z玻色子可能會(huì)自相互作用，從而允許W和Z玻色子產(chǎn)生更多的W和Z玻色子。這些可能表現(xiàn)為帶有兩個(gè)或三個(gè)巨大玻色子的事件。盡管如此，這種創(chuàng)造仍然很少見，因此產(chǎn)生的玻色子越多，生產(chǎn)發(fā)生的頻率就越少。在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，以前已經(jīng)觀察到并測量了兩個(gè)巨大的玻色子的產(chǎn)生。

紐曼說，這些玻色子的產(chǎn)生不是實(shí)驗(yàn)的特定目標(biāo)。通過收集足夠的數(shù)據(jù)，包括帶有玻色三胞胎的許多事件和其他罕見事件，研究人員將能夠以越來越高的精度測試標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，并最終可能發(fā)現(xiàn)并能夠研究其之外的新相互作用。

“我們通過觀察星系的旋轉(zhuǎn)和分布知道，一定有暗物質(zhì)發(fā)揮其引力影響，但暗物質(zhì)不適合標(biāo)準(zhǔn)模型。暗物質(zhì)中沒有空間容納暗粒子，也不包含重力，而且它在大爆炸之后的最初瞬間根本無法發(fā)揮早期宇宙所特有的能量尺度。我們知道，有比標(biāo)準(zhǔn)模型更基本的尚未發(fā)現(xiàn)的理論，”紐曼說。

計(jì)劃在2021-24年進(jìn)行的下一個(gè)為期三年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。運(yùn)行結(jié)束時(shí)，將對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，以將其數(shù)據(jù)收集能力提高30倍。“有很多未實(shí)現(xiàn)的潛力。在CMS和LHC進(jìn)行了重大升級(jí)之后，我們已經(jīng)收集的大量數(shù)據(jù)仍然只占我們預(yù)期收集的數(shù)據(jù)的百分之幾，而高亮度LHC計(jì)劃在從2027年開始的10年。我們只是這個(gè)30年物理課程的開始，”他說。