從巨大的星系到最小的夸克和膠子，現代物理學對宇宙是如何工作的非常了解。盡管如此，對一些重大謎團的答案仍然遙不可及，例如暗物質的性質和引力的起源。

加州理工學院的物理學家及其同事使用了位于瑞士日內瓦的歐洲核研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHC)，它是目前存在的最大，功能最強大的粒子加速器，其緊湊型μ電磁閥(CMS)實驗已經取得了成功對非常罕見的事件的新觀察，可能有助于使物理學超越當前對世界的理解。

新的觀察涉及同時產生三個W或Z玻色子，它們是攜帶弱力(四個已知基本力之一)的亞原子“介體粒子”，這是造成放射性現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，其中還包括構成光的光子。希格斯玻色子，被認為是負責物質的物質;和膠子，它們將核結合在一起。W玻色子和Z玻色子彼此相似，因為它們都承載弱力，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的標準模型來解釋。

加州理工學院的研究生Zhicai Zhang(MS '18)是高能物理研究團隊的成員，該團隊由Marvin L. Goldberger物理學教授Harvey Newman和尚義成大學物理教授Maria Spiropulu領導。新觀測的主要貢獻者之一，與其他團隊成員一起工作。

當已將加速到接近光速的高束高能質子束沿著大型強子對撞機的圓形路徑在幾個點發(fā)生正面碰撞時，就會發(fā)生產生玻色子三重奏的事件。當兩個質子發(fā)生碰撞時，質子中的夸克和膠子被迫分離開來，正好這樣，W和Z玻色子就會出現。在極少數情況下，它們顯示為三胞胎：WWW，WWZ，WZZ和ZZZ。紐曼說，這樣的三重W和Z玻色子僅產生于10萬億個質子-質子碰撞中的一個。這些事件是使用CMS記錄的，CMS圍繞LHC路徑中的一個碰撞點。張說，這些事件比發(fā)現希格斯玻色子的事件少50倍。

紐曼說：“隨著大型強子對撞機產生大量碰撞，我們可以看到非常罕見的事情，例如產生這些玻色子的過程。”

W和Z玻色子可能會自相互作用，從而允許W和Z玻色子產生更多的W和Z玻色子。這些可能表現為帶有兩個或三個巨大玻色子的事件。盡管如此，這種創(chuàng)造仍然很少見，因此產生的玻色子越多，生產發(fā)生的頻率就越少。在大型強子對撞機上，以前已經觀察到并測量了兩個巨大的玻色子的產生。

紐曼說，這些玻色子的產生不是實驗的特定目標。通過收集足夠的數據，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準模型的預測，并最終可能發(fā)現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和分布知道，一定有暗物質發(fā)揮其引力影響，但暗物質不適合標準模型。暗物質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，有比標準模型更基本的尚未發(fā)現的理論，”紐曼說。

計劃在2021-24年進行的下一個為期三年的實驗運行已經準備就緒。運行結束時，將對設備進行升級，以將其數據收集能力提高30倍。“有很多未實現的潛力。在CMS和LHC進行了重大升級之后，我們已經收集的大量數據仍然只占我們預期收集的數據的百分之幾，而高亮度LHC計劃在從2027年開始的10年。我們只是這個30年物理課程的開始，”他說。