大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了新粒子？

謝懿

在2015年12月大型強(qiáng)子對撞機(jī)的對撞實(shí)驗(yàn)中，兩組獨(dú)立的探測器發(fā)現(xiàn)了一種疑似新粒子的存在，它比希格斯玻色子重6倍。這種粒子用現(xiàn)有的模型無法解釋。這一重大發(fā)現(xiàn)可能會幫助科學(xué)家繼續(xù)發(fā)現(xiàn)一整組新型粒子，甚至發(fā)現(xiàn)第五種基本力。不過，現(xiàn)在的成果并不足以證實(shí)這種粒子真正存在。科學(xué)家將實(shí)施更多的探測實(shí)驗(yàn)。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)的兩大探測器超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊μ子線圈（CMS）是通過計(jì)算衰變成光子的粒子來發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象的。測量光子是探測新物理現(xiàn)象的較好途徑，因?yàn)楣庾颖容^容易探測，而且物理學(xué)家大概知道預(yù)期的結(jié)果。當(dāng)粒子衰變成光子時(shí)，釋放出的能量相當(dāng)于它們的質(zhì)量乘以光速的平方。

歐洲核子研究中心的理論粒子物理學(xué)家吉安·朱迪切說：“我們談?wù)摰牟⒉皇侨ヲ?yàn)證一個(gè)既有的理論，而是打開一扇進(jìn)入另一個(gè)未知世界的大門?！?/p>

當(dāng)然，前提是它真的存在。目前，我們只是從大型強(qiáng)子對撞機(jī)的碰撞碎片中得到了一些線索。但是，如果這些線索在今后的幾周或幾個(gè)月的時(shí)間里逐漸清晰的話，就有可能是一個(gè)重磅炸彈。它也許會成為2016年最重大的發(fā)現(xiàn)，為對大自然的運(yùn)轉(zhuǎn)方式的研究揭開新的篇章。

這個(gè)希望分別來自大型強(qiáng)子對撞機(jī)的兩個(gè)探測器最新獲得的數(shù)據(jù)。它們各自獨(dú)立地指出，似乎存在一種粒子，它的質(zhì)量甚至讓2012年7月發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子相形見絀。

希格斯玻色子是一個(gè)里程碑，但也標(biāo)志著前進(jìn)道路的終點(diǎn)。它是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的粒子中最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的。迄今，標(biāo)準(zhǔn)模型的復(fù)雜方程可以在極高的精度上解釋每一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解釋了自然界三種基本作用力——電磁力、弱核力和強(qiáng)核力——的工作機(jī)制。但很明顯的是，標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整。它無法囊括自然界的第四種力——引力，也無法解釋希格斯玻色子和其他16種粒子具有的特性，更不用提解釋主宰宇宙物質(zhì)成分的暗物質(zhì)了。

要超越標(biāo)準(zhǔn)模型，就需要找到一些全新的東西。

因此，大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的這個(gè)線索讓人興奮，這是它在設(shè)計(jì)的最大能標(biāo)上工作的第一年。英國倫敦國王學(xué)院的理論家約翰·埃利斯說，自從2011年意大利物理學(xué)家宣布中微子超光速以來，他還沒有見過類似的東西。

中微子超光速最終被證明是錯誤地連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備的光纜所致。這樣的差錯不太可能出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上，但被尚無定論的數(shù)據(jù)無情地戲弄確實(shí)是科學(xué)家必須提防的。

通過篩查質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的碎片來確定是否有意想不到的事情發(fā)生，是一項(xiàng)極其復(fù)雜而瑣碎的工作。只有在很長一段時(shí)間里很努力地研究數(shù)據(jù)，你才有可能看到你想要的結(jié)果。但是，只有重復(fù)觀測到同一件事情很多次，才能確定它的真實(shí)性。

拋3次硬幣，結(jié)果都是正面朝上，你會把它歸于概率;連續(xù)拋5次都是如此，你可能會開始懷疑這枚硬幣是不是被做過手腳。要正式宣布一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，粒子物理學(xué)家的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”是這一現(xiàn)象為巧合的概率不得超過1/3500000，這個(gè)值相當(dāng)于連續(xù)拋硬幣21次正面朝上。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的異常還沒有達(dá)到這個(gè)地步。這個(gè)異常出現(xiàn)在能產(chǎn)生兩個(gè)高能光子的碰撞中。這種碰撞一般很少會產(chǎn)生高能光子，原因純粹是這會消耗更多的能量。事實(shí)上，隨著能量的升高，ATLAS和CMS確實(shí)看到由其他已知過程產(chǎn)生的“背景”事件的數(shù)目在下降。

但是， 當(dāng)產(chǎn)生的兩個(gè)光子的總能量達(dá)到750GeV（1GeV=10億電子伏特）時(shí)，這兩個(gè)探測器發(fā)現(xiàn)事件數(shù)有微微的上揚(yáng)。這暗示了什么？粒子都有質(zhì)量，當(dāng)它們衰變時(shí)，其質(zhì)量被轉(zhuǎn)換成衰變產(chǎn)物的質(zhì)量和能量。發(fā)現(xiàn)總能量750GeV的雙光子數(shù)目過多，意味著它們是一種未知粒子的衰變產(chǎn)物，該粒子的質(zhì)量與這個(gè)能量相當(dāng)。

由計(jì)算機(jī)繪制的大型強(qiáng)子對撞機(jī)CMS探測器中質(zhì)子--質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的粒子碎片軌跡圖。左下和右上的綠色直線為發(fā)射出的雙光子

衰變成兩個(gè)光子是非常“干凈”的過程——光子比其他粒子更易于探測，而且預(yù)期的背景事件率是已知的。在125GeV處出現(xiàn)的類似的輕微上揚(yáng)，最終被證明是希格斯玻色子暗示存在的第一條線索。這一最新的異常代表著迄今仍有待發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最大的粒子，粗略地估算，其質(zhì)量是希格斯玻色子的6倍，是鉛原子的幾乎4倍。

這個(gè)信號與希格斯玻色子被確認(rèn)發(fā)現(xiàn)之前6個(gè)月出現(xiàn)的異常極其相似。雖然現(xiàn)在還無法計(jì)算出一個(gè)確切的數(shù)字，但綜合ATLAS和CMS2015年12月公布的最新結(jié)果，這一異常統(tǒng)計(jì)漲落的概率約為幾百分之一。這相當(dāng)于連續(xù)拋硬幣9次或10次都是正面，雖然足以起疑，但還欠說服力。

即便如此，星星之火已經(jīng)燎原。就在ATLAS和CMS公布這一異常之后不到一周，理論物理學(xué)家就在arXiv服務(wù)器上發(fā)布了100多個(gè)可能的解釋，而且這個(gè)數(shù)字至今仍在暴增。在arXiv上，物理學(xué)家可以在正式發(fā)表前發(fā)布自己的論文和數(shù)據(jù)。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的野村保教是最早發(fā)表相關(guān)文章的人之一?！耙话阄沂遣粫⑸项愃频漠惓，F(xiàn)象的，因?yàn)樗鼈兘^大多數(shù)其實(shí)亂七八糟，但這一個(gè)相對干凈?！彼f，“一定程度上，我們有點(diǎn)絕望，因?yàn)槲覀冇泻芏鄦栴}需要解決，卻沒有數(shù)據(jù)。”

關(guān)于這個(gè)假想中的粒子，科學(xué)家已經(jīng)知道了一些事情。它不帶電荷，自旋——量子力學(xué)特性——的范圍也受到了限定。光子的自旋為1，任何衰變成兩個(gè)光子的粒子其自旋不可能為1。此外，它必定還具有整數(shù)自旋，因此該粒子的自旋可能為2。于是， 一些理論物理學(xué)家認(rèn)為，它可能是一種引力子——一種假想的傳遞引力的粒子，其自旋為2。這將是超越標(biāo)準(zhǔn)模型，把引力與其他作用力統(tǒng)一到一起的第一條線索。

或者，和希格斯玻色子一樣， 該粒子的自旋為0。事實(shí)上，另一種理論認(rèn)為它是另一種質(zhì)量更大的希格斯玻色子。

但是，野村保教的分析顯示，如果它的自旋確實(shí)為0，那它就不會是一種基本粒子，因?yàn)槿绻堑脑挘孔恿W(xué)變幻莫測的奇特行為會在它周圍的真空中產(chǎn)生出大量其他短命的基本粒子，使得它的質(zhì)量飆升到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的數(shù)值。

相反，野村保教認(rèn)為，它是一種復(fù)合粒子，類似于原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子。它們是被強(qiáng)核力束縛在一起的夸克。另一方面，這個(gè)神秘粒子將是與僅在高能下才會發(fā)生的全新的第5種基本作用力有關(guān)的第一個(gè)粒子。野村保教及其合作者用不同的方法測試了這個(gè)猜想，每一次它都經(jīng)受住了考驗(yàn)。這聽起來有些牽強(qiáng)，但歷史總是不斷地重復(fù)。20世紀(jì)五六十年代，發(fā)現(xiàn)粒子是由夸克組成的使得物理學(xué)家提出了強(qiáng)核力。

其他的一些理論家也會對他們鐘愛的理論做同樣的褒獎。埃利斯敦促大家保持謹(jǐn)慎。他說，考慮到我們的無知程度，這一粒子是基本粒子還是復(fù)合粒子目前都可能，“我們能排除的情況不是很多。該粒子自旋允許的范圍還是很大的”。

奇怪的是，唯一可以排除的大概恰恰是許多粒子理論家期望的超對稱粒子。超對稱理論提出，標(biāo)準(zhǔn)模型中的每一種已知粒子都存在一個(gè)質(zhì)量更大的伙伴粒子。大型強(qiáng)子對撞機(jī)至今還沒有發(fā)現(xiàn)任何有關(guān)超對稱的證據(jù)。即便是這個(gè)我們所知甚少的最新粒子，也不對應(yīng)于最簡單的超對稱模型中的任何東西。

更奇特的是，質(zhì)量如此之大的粒子應(yīng)該衰變成兩個(gè)幾乎一樣的光子，即把它的質(zhì)能對半開，但它絲毫沒有這些跡象。埃利斯說：“如果事情真是這樣，背后肯定還有其他原因。這會進(jìn)一步要求有新的粒子存在?！?/p>

對朱迪切來說，沒有現(xiàn)成的理論模型能夠解釋這一粒子的特性，倒是讓一切都變得更加耐人尋味。他說：“這才是故事里最精彩的部分?！彼庇X上贊同野村保教的觀點(diǎn)，即該粒子預(yù)示還存在一系列通過未知的第5種基本作用力來發(fā)生相互作用的粒子。如果是這樣的話，隨著ATLAS和CMS探測數(shù)據(jù)的累積，在更大的質(zhì)量上，我們應(yīng)該會看到更多這樣的事件。

這還不是唯一的驚喜。在另一個(gè)探測裝置LHCb中，研究人員也看到一些異?，F(xiàn)象，暗示可能存在未知的粒子。不過，這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)之間的關(guān)系目前仍不清楚。

對CMS的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家吉姆·奧爾森來說，首要任務(wù)是獲得更多的數(shù)據(jù)。雖然試圖保持冷靜的頭腦，但他同樣感到興奮。如果ATLAS和CMS發(fā)現(xiàn)的異常在大型強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行的高能粒子對撞實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)出現(xiàn)，那么它“絕對是件大事”。他說：“這是一個(gè)全新的粒子，也是存在于標(biāo)準(zhǔn)模型之外的第一種粒子?！?/p>

又或許，就像之前常常發(fā)生的那樣，所有的這些希望都會破滅。最近一次的類似事情發(fā)生在2014年， 當(dāng)時(shí)科學(xué)家在CMS和ATLAS的探測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，會產(chǎn)生粒子噴流的低能碰撞中存在可能的異常。這一現(xiàn)象暗示存在一種質(zhì)量約為2000GeV的粒子，其統(tǒng)計(jì)可信度也和現(xiàn)在的新異常相當(dāng)。理論物理學(xué)家緊接著就提出了各種解釋，其中最流行的是一種傳遞新作用力的粒子。然而，在

對2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，一切都銷聲匿跡了。

“統(tǒng)計(jì)總是會和我們玩游戲，所以我只能等待更多的數(shù)據(jù)。”CMS的物理學(xué)家帕特里克·雅諾說，“當(dāng)物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的數(shù)據(jù)中尋找各種各樣的現(xiàn)象時(shí)，總能找到不少類似的異常?！盇TLAS的物理學(xué)家也強(qiáng)調(diào)了相同的觀點(diǎn)。為了尋找某些信號，對ATLAS的數(shù)據(jù)分析總能在其背景信號中發(fā)現(xiàn)一些純統(tǒng)計(jì)上的波動。

是立還是破也許很快就會見分曉。2015年，大型強(qiáng)子對撞機(jī)并沒有如預(yù)期般產(chǎn)出大量數(shù)據(jù)，CMS探測器中用來彎曲粒子路徑的巨型磁鐵存在問題，這也導(dǎo)致并非所有的數(shù)據(jù)都可以利用。如果在數(shù)據(jù)分析中能夠考慮到磁鐵缺失的因素，那么結(jié)果也許會更加清晰。否則，我們只能耐心地等待從2016年4月起開始的對撞實(shí)驗(yàn)發(fā)布第一批數(shù)據(jù)。

粒子物理學(xué)家都希望2016年會帶他們回到令人無比興奮的20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)我們對物質(zhì)組成的認(rèn)識因夸克和強(qiáng)核力的發(fā)現(xiàn)而發(fā)生了翻天覆地的改變。不過，當(dāng)務(wù)之急還是要完成收集更多數(shù)據(jù)這一艱巨的任務(wù)，平衡事實(shí)和做出發(fā)現(xiàn)之間的沖動。在一個(gè)大城市中，當(dāng)你遇到一個(gè)熟人時(shí)，可能會驚訝于這一巧合，卻忘記了在其他9 9次的時(shí)間里，你誰也沒遇到。人類的頭腦總是傾向于尋找現(xiàn)象背后的原因，即使有可能壓根兒就沒有。不過，與此同時(shí)你也會感到興奮，否則科學(xué)就無法向前推進(jìn)了。

延伸閱讀

更大的圖景

在大型強(qiáng)子對撞機(jī)直徑27千米的地下圓環(huán)周圍，除了ATLAS和CMS探測器之外，還有另一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，被稱為LHCb。不同于通過測量衰變產(chǎn)物來搜尋新粒子的前兩個(gè)探測器，LHCb的任務(wù)是對被稱為B介子的復(fù)合粒子的衰變進(jìn)行精確測量，進(jìn)而與粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言進(jìn)行比較。

該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些兩者存在偏差的線索。其中一個(gè)與B 介子分解成較輕的K 介子和一對μ介子的速率有關(guān)，其他的則與B介子衰變成電子、μ介子和τ輕子的速率有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，所有這些衰變的速率都應(yīng)該是相同的，但LHCb的測量結(jié)果似乎與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言存在偏差，雖然其統(tǒng)計(jì)置信度一直在變化。

目前還不足以下任何結(jié)論。粒子物理學(xué)家已經(jīng)在過去看慣了來來去去的異?，F(xiàn)象，但現(xiàn)在有趣的是，所有這些異常是一起出現(xiàn)的。這讓人感到興奮，因?yàn)樗鼈冇锌赡苁窍嗷リP(guān)聯(lián)的。

如果這些現(xiàn)象是真實(shí)的，那很可能與尚未被發(fā)現(xiàn)的大質(zhì)量粒子有關(guān)，也可能與最近在ATLAS 和CMS中出現(xiàn)的異常有關(guān)。根據(jù)LHCb的測量，這個(gè)新粒子的自旋為1，而這恰恰是ATLAS和CMS的探測結(jié)果明確排除的東西。