Symmetry between up and down quarks is more broken than expected NA61/SHINE的铅-闪烁体量热计。 Credit: CERN

2023年末，Wojciech Brylinski 在分析CERN的NA61/SHINE合作项目的数据，为他的论文做准备时，注意到一个意想不到的异常现象：在氩-钪碰撞中，带电的介子和中性介子之间存在着惊人的巨大不平衡。他发现，带电的介子并没有以大致相等的数量产生，而是比中性介子多产生18.4%。

这表明，由于Up夸克和Down夸克的电荷和质量差异，它们之间的所谓“同位旋对称性”可能比预期的破坏得更严重——现有的理论模型很难解释这种差异。已知的同位旋不对称性来源仅预测几个百分点的偏差。

“当Wojciech开始时，我们认为这将是对对称性的一个微不足道的验证，”Marek Gaździcki说，他在发现时是NA61/SHINE的发言人。“我们期望这种对称性得到严格遵守——尽管我们之前在NA49实验中测量过这些类型的不一致，但它们具有很大的不确定性，而且并不显著。”

同位旋对称性是味对称性的一个方面，由此强相互作用对所有夸克味的处理方式都是相同的。这意味着所有类型的夸克在强相互作用下都应表现相同，除了由其不同质量引起的运动学差异。同位旋不是电磁相互作用的对称性，因为Up夸克和Down夸克具有不同的电荷。

根据同位旋对称性，重离子碰撞中的强相互作用应产生几乎等量的带电介子（包含一个Up夸克和一个奇异反夸克，或一个Up反夸克和一个奇异夸克）和中性介子（包含一个Down夸克和一个奇异反夸克，或一个Down反夸克和一个奇异夸克），因为Up夸克和Down夸克的质量相似。NA61/SHINE的数据反驳了相等产量的假设，显著性为4.7σ。

“我看到两种解释结果的方法，”与NA61/SHINE合作的理论物理学家Francesco Giacosa说。“首先，我们可能大大低估了电磁相互作用在产生夸克–反夸克对中的作用。其次，这些结果可能意味着强相互作用不遵守味对称性。如果这是真的，它将与物理学家当前对量子色动力学 (QCD)的理解相矛盾，也就是夸克和胶子（强相互作用的载体）如何结合。”

虽然该实验经常测量核碰撞中的粒子产量，但寻找同位旋对称性的差异并不是研究人员积极寻找的东西。NA61/SHINE的主要重点是研究来自CERN的Super Proton Synchrotron的光束与各种固定核目标碰撞时，强子产生的特性。该数据还与中微子和宇宙射线实验（例如T2K）共享，以帮助他们改进其模型。

该合作组织现在计划使用不同的射弹、目标和碰撞能量对这一新结果进行额外的研究，以确定这种效应是否是某些重离子碰撞独有的，还是高能相互作用的更普遍特征。它还向理论物理学家发出了呼吁，以帮助解释可能导致如此出乎意料的巨大不对称的原因。

“我们试图将数据拟合到当前现有的模型中，但根本行不通——根本不可能，”Giacosa说。“我们需要更多的实验数据和更多的理论预测来填补我们在强相互作用知识方面的空白。因此，真正的问题是：接下来是什么？”

更多信息： Evidence of isospin-symmetry violation in high-energy collisions of atomic nuclei, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.06572 Journal information: arXiv Provided by CERN Citation : Symmetry between up and down quarks is more broken than expected (2025, March 28) retrieved 31 March 2025 from https://phys.org/news/2025-03-symmetry-quarks-broken.html This document is subject to copyright. Apart from any fair dealing for the purpose of private study or research, no part may be reproduced without the written permission. The content is provided for information purposes only.