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尽管现如今量子力学理论已经比较完备,但是对于初学者甚至于领域内的学者来说,反常的实验现象总是很令人激动的。薛定谔的猫佯谬以及双缝干涉实验似乎变成了永恒的话题。而另一个不那么为众人熟知的量子效应,中性介子(夸克与反夸克的束缚态)的振荡是,同样吸引了大批物理学家投身其中,迄今为止已经将近60年[1]。这些介子在正粒子和其反粒子之间来回振荡。这一现象的理论基础贯穿了整个粒子物理学的发展史。在近期的PhyiscalReviewLetters上,LHCb合作组报道了对中性D介子系统振荡的观测实验[2],这是首例具有象征性意义的单独观测。

弱相互作用,就是我们熟知的β辐射衰变的基本作用力,就像粒子物理的炼金术士,可以改变夸克的种类,或者叫做味道(夸克具有六种味道,上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克)。中子由一个上夸克和两个下夸克组成,记作(udd),β衰变时释放一个电子和一个反电子中微子而形成质子(uud),其中一个下夸克变成了上夸克,这种变化就是弱相互作用的特色之处。介子由一个夸克和一个反夸克组成,而不是三个夸克,这样就有了更多微妙的可能性。第二阶的弱相互作用(相对于第一阶来说更小)可以让夸克和反夸克的味道互换,例如中性D0介子(cubar,ubar的意思是反u夸克)可以振荡为其反粒子状态D0bar(ucbar),如图1(d)所示。有四种介子系统可以进行这种振荡。每一种这类粒子都能形成典型的量子双态系统——其中有K0(d,sbar),D0(c,ubar),B0(d,bbar),B0s(s,bbar)——这种双态系统就可能发生量子振荡。然而K,B,Bs介子的振荡都已经被发现,而D0和其反粒子的振荡是这一组介子中最后需要观察的。

介子的振荡与三代夸克之间的关系很密切,这三代夸克是:上下夸克(u,d),粲夸克和奇异夸克(c,s),顶夸克和底夸克(t,b)。对于原子的组成,只需要上下夸克就够了,于是就多出两代夸克来。 这额外的两代夸克为何存在,是长时间以来困扰粒子物理学的神秘问题:这额外的两代夸克质量要大的多,但其他的性质都和上下夸克几乎相同。四种振荡介子对中就包含这些额外的夸克,关于弱相互作用的物理细节也赋予了这四种介子对某种程度的差别。

振荡的性质也是我们检测介子的策略,取决于两个关键的参数。弱相互作用允许D0和D0bar通过简并混合在一起。这一过程会产生两个新的本征态,这两个本征态之间在寿命和质量上稍有不同,如此一来当D0和D0bar振荡产生时,振荡频率就和质量差异相联系。当振荡的周期和本征态寿命可以比拟的时候,观察就变得更容易。对于K和B介子系统,情况就是如此。对于Bs介子系统,振荡的周期非常短,实验要求非常高的时间分辨方法去将它们分辨出来。对于D介子系统的情况,相对于D介子的衰变,振荡就显得很慢,就是说振荡还没产生效应,粒子就衰变了,所以足够高的测量统计是实验成功的关键。

最近几年,在用不同的方法去寻找D0-D0bar振荡方面,科学家们取得了不错的成果。第一个证据来自于BaBar合作组2007年的工作,进一步的验证工作有CDF合作组随后跟上,除此之外还有一些探测工作[3].将所有这些先驱性的工作集中起来,我们可以断定这类振荡是存在的。现在,LHCb提供了基于单个测量的首个清晰观测[2]。

LHCb判断夸克味道所用的基本技术使得我们可以真正观测夸克味道的变化,他们在D介子产生的时候确定一次味道,看是D0还是D0bar,在粒子衰变后再确定一次。科学家们通过质子-质子对撞来制备D*介子,通常D*+衰变为D0和π+,D*-衰变为D0bar和π-,不会有相反的情况发生。因此π介子的电荷就是确定D介子类型的一个标志。在测量D衰变时,如图1(a)所示,D0通常衰变为K-和π+;在这些RS(Right-Sign)衰变中,从D*和D衰变而来的π介子拥有相同的电荷符号。而WS(Wrong-Sign)衰变时π介子拥有相反的电荷符号,这就使得我们拥有一个D0-D0bar振荡的信号,即,在第一次D*+衰变后紧接着是D0bar衰变,衰变为K+和π-,如图1(c)。

唯一美中不足的是,大概有0.4的衰变是D0→K+π-,即有0.4%的WS信号并不是由于介子振荡产生的,如图1(b)。不过时间给了我们对策,这一背景过程几率振幅是个常数,而振荡过程的几率振幅是随时间变化的。如果没有振荡过程,那么WS/RS在全时间内应当是一个常数,即0.4%。而LHCb的物理学家观测到的是一个轻微与时间相关(±20%)的WS/RS值。为了标记振荡事件,WS信号应当在恰当的时间出现。时间相关性用来从事件中将振荡参数抽取出来,而无振荡的情况已经被我们的统计所排除(大概9.1个标准差)。

时间对于LHCb的其他方面一样很关键。LHCb的探测系统[4]和触发系统[5]被调节到可以观测底夸克和粲夸克事件的状态。对撞以11MHz的频率发生,但是衰变过程只能以3Khz的频率进行采集。采集成功的关键是包含这些夸克的量子态的长寿命,大概有1个皮秒(10-12s).在粒子高速运动的情况下,如此短的时间对应的是可观测的传播距离,使得我们可以在空间上对其进行分离。高精度的测量需要实时决策,大量的校准,质量控制,设备维护,以及其他各种必要的行为才使得这一过程能够有效。D0振荡的高质量数据本身就是对这一切努力最好的验证。科学家们选取有趣的碰撞过程的能力,使得LHCb可以开展涉及面非常广阔的物理实验项目。

现在实验人员正致力于对夸克间弱相互作用以及与之相关的三代夸克谜团展开实质性的研究。理论上讲,这里所取得的对D介子振荡的研究进展可以帮助科学家在粒子物理标准模型之外寻找新模型的蛛丝马迹。现在为止,令人激动的是实验上的结果已经接近理论预言范围的上限,然而不幸的是对D0振荡的精密计算却远远跟不上。D0振荡的实验以及相关的其他工作,对我们的理论能力提出了严峻的挑战。然而就算我们现在还得等待进一步的理论工作进展,我们也可以坐下来好好享受一下自然四重奏的美妙,现在,乐章终于完成了。

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References

  1. M. Gell-Mann and A. Pais, “Behavior of Neutral Particles under Charge Conjugation,”Phys. Rev.97, 1387 (1955).
  2. R. Aaijet al.(LHCb Collaboration), “Observation ofD0−D−−0Oscillations,”Phys. Rev. Lett.110, 101802 (2013).
  3. B. Aubertet al.(BaBar Collaboration), “Evidence forD0−D−−0Mixing,”Phys. Rev. Lett.98, 211802 (2007); M. Staricet al.(Belle Collaboration), “Evidence forD0−D−−0Mixing,”98, 211803 (2007); T. Aaltonenet al.(CDF Collaboration), “Evidence forD0−D−−0Mixing Using the CDF II Detector,”100, 121802 (2008).
  4. A. A. Alves, Jr.,et al.(LHCb Collaboratio), “The LHCb Detector at the LHC,”J. Inst.3, S08005 (2008).
  5. R. Aaijet al., “The LHCb Trigger and its Performance,”arXiv:1211.3055.
  6. LHCb has already supplied two other Viewpoint topics, one each forcandbphysics: see Y. Nir “Charm and Anticharm—Not Quite the Same,”Physics5, 31 (2012); H. Dreiner, “Mixed Feelings About a Rare Event,”6, 3 (2013).