新粒子與新物理學(xué)

苗千

引力波的發(fā)現(xiàn)又一次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，這個(gè)世紀(jì)級(jí)的發(fā)現(xiàn)固然令宇宙學(xué)家感到安穩(wěn)，而另一方面，物理學(xué)家們又急于突破一個(gè)世紀(jì)以來(lái)廣義相對(duì)論和量子理論的約束。

如今物理學(xué)并不缺少各式各樣的理論，缺少的是實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在宇宙空間，在地表，在地下，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們一次次地驗(yàn)證著早已成型且完整的理論，這讓很多人感到束縛，甚至是絕望。正是因?yàn)槿绱耍?015年12月15日，從歐洲核子中心（CERN）傳出的消息已經(jīng)開(kāi)始讓很多人興奮不已——盡管這則消息還遠(yuǎn)算不上是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，但已經(jīng)讓物理學(xué)家看到了新物理學(xué)的希望。

2015年12月，歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）兩個(gè)不同的探測(cè)器ATLAS和CMS分別探測(cè)到了一個(gè)此前沒(méi)有人預(yù)料到的信號(hào)，物理學(xué)家們觀測(cè)到了比理論計(jì)算結(jié)果更多的高能量光子。實(shí)際上，這個(gè)信號(hào)并不算非常明顯：兩束以接近光速運(yùn)行的質(zhì)子相撞，ATLAS探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生的殘余中，相比于根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算，多出了40對(duì)高能量光子。物理學(xué)家們估計(jì)，這些在質(zhì)子對(duì)撞過(guò)程中產(chǎn)生的“多出來(lái)”的高能量光子，可能是由一種人們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)的粒子衰變而成，重要的是，這種尚未被驗(yàn)證的不帶電粒子比此前發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子更重，是頂夸克質(zhì)量的4倍多，目前也沒(méi)有任何理論框架可以把這種粒子囊括其中。引力，加上標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的三種基本作用是人類目前認(rèn)識(shí)到的四種基本相互作用，可以解釋目前所觀測(cè)到的大部分物理現(xiàn)象，但是如果存在一種任何物理模型都無(wú)法描述的粒子——有些物理學(xué)家已經(jīng)急不可耐地要開(kāi)始探索“第五種”相互作用了——如果這種粒子真的存在的話。

根據(jù)歐洲核子中心CMS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一位物理學(xué)家統(tǒng)計(jì)，自從2015年12月傳出了可能存在一種新粒子的消息之后，目前已經(jīng)有285篇相關(guān)論文發(fā)表在網(wǎng)絡(luò)上，聲明可以解釋這種粒子的存在，理論物理學(xué)家對(duì)于新理論的渴求程度可見(jiàn)一斑。問(wèn)題在于，目前實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們只是發(fā)現(xiàn)了一些高能量的光子，新粒子的存在只是一種尚未被確認(rèn)的可能性而已，與被確定是一個(gè)粒子物理學(xué)的“發(fā)現(xiàn)”還有很大的距離。

倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院的物理學(xué)家約翰·埃利斯（John Ellis）認(rèn)為，正是因?yàn)闆](méi)有人曾經(jīng)預(yù)測(cè)過(guò)這個(gè)信號(hào)的存在，它才讓人感到如此激動(dòng)，而且這可能只是揭示出了一種新的物質(zhì)形式的冰山一角。這種粒子可能類似于希格斯玻色子，但是它的質(zhì)量是希格斯玻色子的6倍。

CMS合作項(xiàng)目是在尋找引力子的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)不同尋常的信號(hào)，物理學(xué)家們分析，這個(gè)信號(hào)來(lái)自引力子的可能性不大，但是種種跡象顯示，這個(gè)粒子可能是一個(gè)自旋為2的玻色子。人類上一次觀測(cè)到基本粒子的行為不符合標(biāo)準(zhǔn)模型的描述還是觀測(cè)到中微子振蕩現(xiàn)象時(shí)，物理學(xué)家不得不對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修改，使中微子可以具有質(zhì)量。目前根據(jù)信號(hào)顯示可能存在的粒子，質(zhì)量遠(yuǎn)大于希格斯玻色子（希格斯玻色子的質(zhì)量大約為125千億電子伏），它有可能是希格斯玻色子的“表親”。不僅如此，一旦確認(rèn)這種粒子確實(shí)存在，那么很有可能它并不是作為一個(gè)特例單獨(dú)存在，很可能還有與它相似的一類粒子也將被相繼發(fā)現(xiàn)，屆時(shí)該如何把這些粒子納入一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)模型應(yīng)該如何修改，自然界中到底是否存在著第五種相互作用，都會(huì)是理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的課題。

相比三個(gè)多月以前，現(xiàn)在這個(gè)引人注意的信號(hào)是來(lái)自一個(gè)尚未為人所知的粒子的可能性更大了一些。2016年3月17日在意大利拉特烏伊萊舉行的一次物理學(xué)會(huì)議上，科學(xué)家們對(duì)于歐洲核子中心的對(duì)撞數(shù)據(jù)進(jìn)行了新的分析，這次的數(shù)據(jù)比去年12月進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)多出22%，結(jié)果顯示，新粒子存在的可能性從1.2 Sigma上升到了1.6 Sigma，但是距離正式成為一個(gè)粒子物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的5 Sigma的標(biāo)準(zhǔn)仍然很遙遠(yuǎn)（5 Sigma相當(dāng)于這個(gè)粒子有99.99997%的概率真實(shí)存在）。

幸運(yùn)的是科學(xué)家們不必為此等待太久。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在去年冬天休眠了一段時(shí)間之后，將在2016年4月重新開(kāi)始進(jìn)行更高能量的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家們將很快就可以獲得最新的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在今年6月，最遲不超過(guò)今年8月，分析結(jié)果將會(huì)正式確認(rèn)或否認(rèn)這種奇異粒子的存在。除了歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)之外，其他實(shí)驗(yàn)室也會(huì)進(jìn)行質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)——如果這種奇異的粒子真實(shí)存在，那么它們除了衰變成兩個(gè)總能量為750千億電子伏的光子對(duì)之外，還有可能衰變成其他物質(zhì)。

一旦這個(gè)粒子的存在被證實(shí)，將是自上世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)tau輕子以及夸克以來(lái)粒子物理學(xué)取得的最大突破。只有對(duì)數(shù)據(jù)反復(fù)加以驗(yàn)證才能確定這種粒子是否存在。2015年，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部總共進(jìn)行了超過(guò)20萬(wàn)億次的質(zhì)子對(duì)撞，物理學(xué)家的工作量可想而知。而在2016年，必將有更多的質(zhì)子在粒子對(duì)撞機(jī)內(nèi)進(jìn)行碰撞以提供更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從建立標(biāo)準(zhǔn)模型到通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中所有的基本粒子，人類花了50年的時(shí)間來(lái)完成這個(gè)迄今為止最成功的描述微觀世界的理論框架，其頂點(diǎn)正是在2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。如今幾年過(guò)去，粒子物理學(xué)家們?cè)缫巡辉贊M足于標(biāo)準(zhǔn)模型的束縛，人們已經(jīng)做好準(zhǔn)備發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋人們觀察到的所有現(xiàn)象，暗物質(zhì)，暗能量，包括為什么目前觀測(cè)到的物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，答案都在標(biāo)準(zhǔn)模型之外。

理論上說(shuō)，人類的一些理論框架可以囊括目前所有的自然現(xiàn)象，正是因?yàn)槿绱耍渲凶钜瞬毮康某瑢?duì)稱理論在幾十年來(lái)一直被寄予厚望。超對(duì)稱理論預(yù)測(cè)了比目前觀測(cè)到的粒子更重的一組“超粒子”，但是隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞能量的不斷提升，已經(jīng)開(kāi)始逼近超對(duì)稱理論所預(yù)測(cè)的超粒子的能量范圍，但超粒子始終未曾出現(xiàn)，一些研究超對(duì)稱的理論物理學(xué)家們很可能不得不放棄這個(gè)優(yōu)美的理論。此時(shí)，一個(gè)神秘粒子的出現(xiàn)也就顯得更加重要——在它的存在和身份尚未確定之際，人們難免不浮想聯(lián)翩：這個(gè)尚未被確定的粒子是否與暗能量、暗物質(zhì)相關(guān)，是否揭示了宇宙中更多的維度，它又將把理論物理學(xué)家們引向何方？

歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)ATLAS探測(cè)器