【导语】：
近日，欧洲粒子物理研究中心(CERN)的Peter Plattner与其合在《物理》2024年第1期刊发了一项突破性研究成果。他们在标准模型框架下，通过一项独特的实验测量刷新了我们对是否存在第4代夸克这一基本问题的理解。：
在粒子物理的标准模型中，物质的基本构建块——夸克和轻子共分为三代，其中包含上、下、粲、奇异、顶和底六种夸克。尽管目前的认知并未完全排除第4代夸克的可能性，但验证其存在的需求驱使科学家们进行数百项精密的物理学与核物理学实验。然而，部分关键参数因技术限制无法直接或精确测量，往往依赖推断或外推得出。Plattner团队独辟蹊径，他们的研究表明，通过深入探究并精确测量上夸克到下夸克的转换率（以Vud矩阵元描述），就能显著推动关于第四代夸克是否存在的认识边界。
在量子力学的框架内，夸克能在不同味之间发生振荡，最著名的例子便是放射性核的β衰变过程。若上夸克振荡为下夸克时，质子会转化为中子，反之亦然。这一振荡速率由CKM矩阵中的Vud元素决定，该矩阵是一个3×3的Cabibbo—Kobayashi—Maskawa矩阵。如果标准模型完备无缺，CKM矩阵必须保持幺正性，即任何一行或一列元素的平方和应等于1，以此确保所有可能的夸克振荡都得到完整描述。一旦检验结果低于幺正性要求，则暗示着可能存在未被包含在现有三代中的额外夸克。
在众多可实验获得的夸克中，上夸克提供了对CKM矩阵幺正性最为严格的检验窗口。其中，Vud是最大且测量最精确的矩阵元，而对其不确定性的控制则是检验幺正性的关键。由于Vud不能直接测量，研究人员需通过对核与原子属性（如自旋和电荷分布）的精细修正后，从多种放射性核的β衰变速率中提取其值。在逾三千种已观测到的不同放射性核中，长寿命铝同质异能激发态26mAl因其特殊的衰变特性脱颖而出，成为理想的测量对象。
Plattner团队专注于研究26mAl核的电荷半径对Vud确定及CKM矩阵幺正性的影响。面对26mAl尚未明确的电荷半径以及低产额、短半衰期等挑战，他们采用了CERN的ISOLDE装置上的COLLAPS实验以及芬兰Jyväskylä大学加速器实验室IGISOL CLS实验两个不同的实验平台，成功生产并分离出26Al和26mAl，并获得了两者产额比的精确数据。
实验结果显示，26mAl的电荷半径更新为3.130±0.015 fm，高于先前报道的3.040±0.020 fm。借助这个更精确的新数值，研究者发现CKM矩阵的最上行元素从0.99848±0.00070微调至0.99856±0.00070，进一步逼近了幺正性阈值。尽管这一数值与幺正性要求仍有至少两个标准偏差的差距，但鉴于单个输入量（26mAl电荷半径测量值）变动对整个CKM矩阵幺正性所产生的显著影响，引发了对系统误差是否低估的深思。
为进一步确证Vud相关参数，科研人员建议运用μ子X射线谱学直接测量基态26Al的电荷半径，并需要对更多同位素的电荷分布进行高精度测定。Plattner团队的这项开创性工作无疑将探索第四代夸克的存在与否向前推进了一步，但最终答案仍需等待更多的实验结果来揭晓。
【结语】：
本文授权转载自微信公众号“中国物理学会期刊网”，编译自Thomas Elias Cocolios发表于《物理》杂志2023年11月27日的文章。欲了解更多主题系列科普文章，请进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏”查询；同时，本公众号提供按月检索文章的功能，只需回复四位数组成的年份+月份即可获取相应时间段的文章索引。
