電子家族的大謎團(tuán)

海方之

電子有兩個兄弟

電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個亞原子粒子，是由英國物理學(xué)家約瑟夫·湯姆孫在1897年通過觀測陰極射線在電場中的偏轉(zhuǎn)而發(fā)現(xiàn)的，而陰極射線就是由電子構(gòu)成的?，F(xiàn)在，我們知道電子的行為服從古怪的量子理論。例如，電子等粒子可以跨越很遠(yuǎn)的距離瞬間影響彼此，這就是所謂的量子糾纏現(xiàn)象。電子還可以從一個地方瞬間躍遷到另一個地方，而不經(jīng)過彼此之間的空間。

有趣的是，電子還有兩個兄弟。1936年，美國物理學(xué)家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種以前從未發(fā)現(xiàn)的粒子，它帶有負(fù)電，就像電子一樣，但在電場中偏轉(zhuǎn)的幅度比電子小，這意味著它的質(zhì)量更大。隨后，它被命名為μ子，它具有跟電子一樣的性質(zhì)，只不過質(zhì)量大約是電子的207倍。而在1974年，美國斯坦福直線加速器中心的實驗人員發(fā)現(xiàn)了另一個電子的兄弟——τ子，其質(zhì)量大約是電子的3400倍。

除了質(zhì)量不同以外，電子、μ子和τ子的其他性質(zhì)是相同的。現(xiàn)在，物理學(xué)家習(xí)慣把電子、μ子和τ子統(tǒng)稱為帶電輕子，并認(rèn)為它們都是同一種粒子的不同種“風(fēng)味”，就像它們都是冰淇淋一樣，只不過風(fēng)味不同。

電子家族的大謎團(tuán)

電子、μ子和τ子看似“很和諧”，但關(guān)于它們，有一個大謎團(tuán)尚待破解。

我們知道，弱核力是一種引發(fā)粒子衰變的基本作用力。而根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（一種描述所有已知粒子和力的理論），弱核力作用在電子、μ子和τ子的效果是完全相同的，這就是所謂的輕子的普適性。具體地說，某些大質(zhì)量的粒子如果能衰變出帶電輕子（以及與之對應(yīng)的中性輕子）的話，那么衰變出電子、μ子和τ子的概率應(yīng)該是完全相同的。這個現(xiàn)象在過去已經(jīng)被許多實驗所證實。

但在最近，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多實驗結(jié)果違反了輕子的普適性。

位于歐洲的大型強子對撞機有一個叫做“大型強子對撞機底夸克實驗”的探測器，簡稱為LHCb。物理學(xué)家經(jīng)常用LHCb研究了B介子的衰變過程。B介子是一種由兩種夸克構(gòu)成的復(fù)合粒子，它的衰變方式有很多，所以它自然地成為了物理學(xué)家的熱門研究對象。而在2014年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，B介子的某次衰變的產(chǎn)物中，衰變出的μ子的數(shù)量比衰變出的電子的數(shù)量少了25%，這違反了輕子的普適性。

當(dāng)然，這可能只是實驗誤差導(dǎo)致的。但LHCb隨后又檢測到了2次類似的結(jié)果。此外，美國的國家加速器實驗室以及日本的高能加速器研究機構(gòu)，也給出了類似的結(jié)果。

如果輕子的普適性真的不成立，那么這意味著什么呢？

未知粒子？復(fù)合粒子？

一個可能的解釋是，在衰變過程中，出現(xiàn)了一種未知的粒子，與衰變過程中的產(chǎn)物發(fā)生作用，導(dǎo)致了μ子的數(shù)量比電子少，但這種粒子轉(zhuǎn)瞬即逝，所以它還沒有被檢測到。

一些物理學(xué)家推測，這種未知的粒子可能是輕夸克——一種能在夸克和輕子之間架起一座橋梁的粒子，能使得夸克與輕子彼此轉(zhuǎn)換。如果輕夸克真的存在，那么它在B介子的衰變過程中，可能把更多的μ子轉(zhuǎn)化為了夸克，這樣就導(dǎo)致了μ子數(shù)量的減少。一些物理學(xué)家進(jìn)行了理論計算，發(fā)現(xiàn)輕夸克的存在正好能解釋為何μ子的數(shù)量比電子的少了25%。

事實上，輕夸克這個假想粒子是在幾十年前提出來的。而在2000年前后，物理學(xué)家還曾利用位于德國的強子-電子環(huán)加速器來尋找輕夸克，但最終卻一無所獲。但我們不應(yīng)對此失去信心，畢竟這個加速器只能檢測到某個固定能量范圍內(nèi)的粒子。

還有另一個解釋，是說電子、μ子和τ子可能不是基本粒子，而是復(fù)合粒子，它們分別是由更小的粒子以不同的方式組合而成的，使得在某些情況下，比如處于衰變的過程，它們的行為表現(xiàn)得不再相同。

另外，那些組合出電子、μ子和τ子的更小的粒子，也許還能組合出更多其他的帶電輕子，它們的質(zhì)量會更大，更難以被發(fā)現(xiàn)。物理學(xué)家可能需要比大型強子對撞機更強大的機器，才能來檢驗這個推論。

不過，鑒于許多個實驗都表明，電子是體積為零的粒子，如果電子真的是復(fù)合粒子的話，那么可能意味著有一種極強的未知的力把構(gòu)成電子的零件束縛在一起。這使得我們可能沒機會把電子拆卸開來。

總之，如果輕子的普適性真的不再成立，那么就表明會有全新的物理規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，這可能會顛覆我們以前對微觀世界的認(rèn)知。