物理學(xué)的新曙光

編譯 王曉濤

2021年1月20日，這是漫長(zhǎng)冬日中的一個(gè)陰天。晚上6點(diǎn)30分，一個(gè)科研小組召開(kāi)視頻會(huì)議，共同度過(guò)了這個(gè)可能永遠(yuǎn)改變物理學(xué)的時(shí)刻?！拔耶?dāng)時(shí)真的在發(fā)抖?！眰惗氐蹏?guó)理工學(xué)院的米蒂什?帕特爾（Mitesh Patel）說(shuō)道。他和他的團(tuán)隊(duì)即將在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究組織粒子物理實(shí)驗(yàn)室揭曉眾人期待已久的LHCb實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。這一結(jié)果很可能會(huì)在最后推翻標(biāo)準(zhǔn)模型——我們目前描述自然界基本運(yùn)作法則的最佳模型。

實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象是一種被稱為“美夸克”或“底夸克”的亞原子粒子。在之前的幾年里，這類夸克的表現(xiàn)讓我們愈發(fā)堅(jiān)定地認(rèn)為，某種未知力量是存在的。在這個(gè)至關(guān)重要的時(shí)刻，我們迫切需要更多的觀測(cè)結(jié)果。如果這類夸克的實(shí)際表現(xiàn)確實(shí)與觀測(cè)結(jié)果相同，那么我們不僅將會(huì)看到一種未知的自然力的影響效果，而且很可能還會(huì)看到一套全新的、統(tǒng)一的粒子及力學(xué)理論的框架。

這是一個(gè)很大膽的假設(shè)——許多粒子物理學(xué)家都很難下定決心支持這個(gè)觀點(diǎn)，包括我自己?！拔覐奈匆?jiàn)過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，”瑞士蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)家吉諾?伊西多里（Gino Isidori）說(shuō)道，“我這輩子從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣興奮過(guò)。”

盡管粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型在描述我們宇宙的基本構(gòu)成時(shí)取得了各種令人目不暇接的豐碩成果，但它也有不足之處。標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋暗物質(zhì)，一種阻止星系飛散的不可見(jiàn)物質(zhì)。它也無(wú)法解釋推動(dòng)宇宙加速膨脹的暗能量。標(biāo)準(zhǔn)模型并不能告訴我們，物質(zhì)為什么沒(méi)有與等量的反物質(zhì)湮滅，而是在宇宙大爆炸后幸存了下來(lái)。更重要的是，標(biāo)準(zhǔn)模型中有幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)論顯得過(guò)于武斷，需要更深入的解釋才能自洽。顯然，標(biāo)準(zhǔn)模型還并不完備。為了完成這個(gè)模型，我們首先需要打破它。

美夸克的傳奇故事始于21世紀(jì)初。當(dāng)時(shí)，德國(guó)慕尼黑大學(xué)理論物理學(xué)家古德倫?希勒（Gudrun Hiller）正試圖從日本貝爾實(shí)驗(yàn)和加利福尼亞巴巴爾實(shí)驗(yàn)的大量數(shù)據(jù)中探尋新的發(fā)現(xiàn)。這些“B介子工廠”通過(guò)將電子與其反粒子（即正電子）碰撞，來(lái)產(chǎn)生美夸克。美夸克的存在時(shí)間極短——平均為1.5萬(wàn)億分之一秒——之后就會(huì)衰變成其他粒子。

奇怪的美夸克

希勒對(duì)一種極其罕見(jiàn)的衰變過(guò)程特別感興趣。在這種衰變中，美夸克會(huì)變成奇異夸克，這種夸克在六種夸克中重量排名第三。

在這一過(guò)程中，美夸克發(fā)射出兩個(gè)帶相反電荷的μ子，即一種“加重版”的電子。這種罕見(jiàn)的衰變是非常有價(jià)值的，因?yàn)榇祟愡^(guò)程可能會(huì)受到某種未知力的強(qiáng)烈影響。我們希望對(duì)這種衰變進(jìn)行最精確的測(cè)量，并將結(jié)果與理論物理學(xué)家使用標(biāo)準(zhǔn)模型所能得出的最精確的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。如果兩者不一致，我們就掌握了某種新的未知力存在的證據(jù)。

問(wèn)題是，對(duì)于美夸克衰變成奇異夸克并放出兩個(gè)μ子的過(guò)程所需要的時(shí)間，理論預(yù)測(cè)給出的結(jié)果受到量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）不確定性的困擾。量子色動(dòng)力學(xué)是一種關(guān)于夸克如何在標(biāo)準(zhǔn)模型中相互作用的理論。這使得理論結(jié)果很難與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行有意義的比較——任何一點(diǎn)差異都可能歸結(jié)為理論預(yù)測(cè)的不確定性。“我們碰壁了。”希勒說(shuō)。

她和同事弗蘭克?克魯格（Frank Krüger）并沒(méi)有氣餒。他們意識(shí)到，還有另一種與之類似但放出電子的衰變，如果我們測(cè)量的是這兩種衰變發(fā)生頻率的比值，就可以消除QCD令人討厭的不確定性。兩次衰變的頻率比值可以通過(guò)非常精確的預(yù)測(cè)得出結(jié)果——但這一結(jié)果只適用于以不同強(qiáng)度對(duì)電子和μ子作用的力。這是一次不大可能成功的嘗試。所有已知的力對(duì)這兩種粒子的作用效果都是相同的，并且我們假設(shè)，哪怕存在尚未被發(fā)現(xiàn)的力，其情況也應(yīng)當(dāng)是如此。這意味著希勒和克魯格測(cè)量比值的想法不會(huì)產(chǎn)生什么新的成果。

十年之后，在歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，相當(dāng)多的美夸克誕生了。LHCb對(duì)這些夸克進(jìn)行了記錄和分析?？傞L(zhǎng)27公里的環(huán)形加速器位于法國(guó)與瑞士邊境的地下，它包括了四個(gè)大型粒子探測(cè)器，LHCb是其中的一個(gè)?，F(xiàn)在，物理學(xué)家終于可以開(kāi)始仔細(xì)研究這些最罕見(jiàn)的衰變。與此同時(shí)，一些有趣的異?，F(xiàn)象出現(xiàn)了。

首先，早期的觀測(cè)結(jié)果表明，產(chǎn)生一個(gè)奇異夸克和兩個(gè)μ子的衰變，發(fā)生頻率低于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的頻率。之后，LHCb實(shí)驗(yàn)于2013年利用一種新的測(cè)量手段分析了這些衰變中產(chǎn)生的粒子飛出的角度。這一次的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏差變得更大。不過(guò)，理論還是存在較大的不確定性，因此這一結(jié)果依然值得討論。

希勒和克魯格想要測(cè)量的比值會(huì)對(duì)此有所幫助嗎？2014年，LHCb發(fā)布了首個(gè)測(cè)量結(jié)果，比較了美夸克衰變成μ子和電子的頻率。出乎所有人意料的是，數(shù)據(jù)結(jié)果再一次違背了標(biāo)準(zhǔn)模型。美夸克衰變?yōu)棣套拥念l率似乎低于衰變?yōu)殡娮拥念l率。通過(guò)分析可以得出結(jié)論，偏差純粹歸因于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的可能性約為1%。這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到發(fā)表粒子物理領(lǐng)域成果所需的黃金標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)顯著性，即結(jié)果為偶然事件的可能性不到三百五十萬(wàn)分之一。

巨大的偏差

盡管如此，結(jié)合μ子與電子的比值、角度測(cè)量值以及衰變發(fā)生頻率的測(cè)量值來(lái)看，這些結(jié)果確實(shí)有可能存在彼此契合的可能性。在這之后，在幾乎每一次的測(cè)量中，更新的美夸克數(shù)據(jù)越多，結(jié)果與理論的偏差就越大。

不過(guò)，還是存在一個(gè)值得注意的例外。2019年，對(duì)希勒-克魯格比值的測(cè)量給出了更多的數(shù)據(jù)，而結(jié)果開(kāi)始接近標(biāo)準(zhǔn)模型給出的數(shù)值?！拔覀円欢日娴恼J(rèn)為自己有了新的發(fā)現(xiàn)，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的帕特爾說(shuō)，“可結(jié)果令人失望?！币虼耍?dāng)帕特爾和同事于2021年1月通過(guò)視頻會(huì)議公布全新的測(cè)量結(jié)果時(shí)，大家的情緒都十分高漲。

劍橋大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家保拉?卡爾特列（Paula Alvarez Cartelle）公布了結(jié)果。測(cè)量的比值幾乎完全相同，但誤差與之前相比要更小。結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值之間存在明顯的差異。這種差異只有不到千分之一的可能是統(tǒng)計(jì)上的誤差。參會(huì)的每個(gè)人都極其興奮?！艾F(xiàn)場(chǎng)的驚嘆聲不絕于耳?！迸撂貭栒f(shuō)。然而，大家也感受到了責(zé)任的重量。他們知道這一結(jié)果會(huì)帶來(lái)巨大的反響。正如卡爾特列所說(shuō)：“你會(huì)忍不住去想，‘我剛剛推翻了標(biāo)準(zhǔn)模型！’，但同時(shí)又會(huì)感受到一點(diǎn)壓力?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)模型：會(huì)有新增內(nèi)容嗎

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型給出了一系列基本粒子，它們可以解釋所有可見(jiàn)物質(zhì)以及三種基本力，除了第四種——引力。

如果美夸克衰變過(guò)程中的異?，F(xiàn)象得到證實(shí)，那么這可能是我們第一次觀察到新的攜力粒子。它可以解釋為什么物質(zhì)粒子分為三代，每一代都比上一代重——它甚至可能通過(guò)對(duì)輕子和夸克的作用而使兩者統(tǒng)一起來(lái)。

這樣的異常結(jié)果可能就是事實(shí)

異常現(xiàn)象在粒子物理學(xué)中并不罕見(jiàn)。對(duì)μ子-電子比值的測(cè)量還沒(méi)有超過(guò)統(tǒng)計(jì)確定性的門(mén)檻，因此還不能被認(rèn)為是一個(gè)明確的發(fā)現(xiàn)。但是，這種“B異?！爆F(xiàn)象存在一致性，從而導(dǎo)致越來(lái)越多的物理學(xué)家認(rèn)為這樣的結(jié)果是可信的?！拔蚁嘈胚@一結(jié)果，”劍橋大學(xué)的理論物理學(xué)家本?阿拉納赫（Ben Allanach）說(shuō)，“雖然還有值得懷疑的地方，但從不同的角度出發(fā)，得到的結(jié)論卻相同，這是非常有說(shuō)服力的。”

那么，是什么原因?qū)е铝诉@種異常結(jié)果？在過(guò)去的幾年里，阿拉納赫一直試圖弄清楚這一點(diǎn)。在他看來(lái)，最有希望的候選者是一種被稱為Z prime的假想粒子所攜帶的力。這種粒子質(zhì)量很大，呈電中性，并且最關(guān)鍵的是，它會(huì)與電子和μ子產(chǎn)生不同強(qiáng)度的相互作用。這可以解釋為什么美夸克衰變成μ子的頻率比衰變成電子的頻率要低——Z prime粒子阻止了這一過(guò)程的發(fā)生。

這也可以解釋標(biāo)準(zhǔn)模型中最神秘、看上去最武斷的特征：物質(zhì)粒子有三代。第一代包括我們熟悉的組成各類物質(zhì)的粒子：電子、電子中微子和上、下夸克。第二代則是這些粒子的更重的版本：μ子、μ子中微子、粲夸克和奇異夸克。第三代比第二代更重：τ子、τ子中微子、頂夸克（又叫真夸克）和美夸克。

長(zhǎng)期以來(lái)，這幾代粒子的存在與否一直成謎。物質(zhì)粒子的質(zhì)量可能相差極大，例如頂夸克比電子要重約35萬(wàn)倍。這樣的事實(shí)令人感到十分奇怪。

如果美夸克的異?，F(xiàn)象可以揭示某種幾乎只作用于第三代粒子的新作用的存在，就可以解釋不同代粒子之間的差異?！拔艺谘芯康哪Ｐ蛽碛幸环N對(duì)稱性，這意味著如果你愿意接受的話，可以認(rèn)為只有第三代粒子具有質(zhì)量?！?阿拉納赫說(shuō)——這能夠解釋為什么這些粒子的質(zhì)量如此之大。

這種新力量的影響還不止于此。20世紀(jì)下半葉，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的三種基本性質(zhì)力——強(qiáng)力、弱力和電磁力——都可以利用數(shù)學(xué)上的對(duì)稱性來(lái)描述。20世紀(jì)70年代時(shí)，科學(xué)家們努力嘗試，希望將三種力利用一種更宏觀的對(duì)稱性結(jié)合為一體，從而創(chuàng)造一種所謂的大統(tǒng)一理論。在這一理論的框架下，力和物質(zhì)粒子可以統(tǒng)一為一個(gè)簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的整體結(jié)構(gòu)。

但問(wèn)題在于，大統(tǒng)一理論預(yù)測(cè)質(zhì)子應(yīng)該衰變，可是并沒(méi)有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到過(guò)這一跡象。更重要的是，探測(cè)理論預(yù)言的結(jié)果所需的能量甚至比LHC所能提供的能量還要高出一萬(wàn)億倍以上，這意味著他們預(yù)測(cè)的新粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)的測(cè)量范圍。因此，將力和物質(zhì)粒子統(tǒng)一為整體的研究工作已經(jīng)停滯了幾十年。

B異?，F(xiàn)象令之前的大統(tǒng)一理論重獲生機(jī)，并且探測(cè)所需的能量遠(yuǎn)低于所有人的預(yù)期。“我們?cè)诶碚撝屑尤肓艘稽c(diǎn)對(duì)稱性——這是大統(tǒng)一理論的一個(gè)基本要素，但只占其中很小的一部分。”阿拉納赫說(shuō)。他認(rèn)為，我們目前隱約察覺(jué)到的這種新力量，可能是一種更大的對(duì)稱性的低能量殘余，因此它只有在非常高的能量下才會(huì)變得明顯。換句話說(shuō)，我們可能觸碰到了大統(tǒng)一理論的邊緣。

希勒開(kāi)創(chuàng)了對(duì)B異?，F(xiàn)象的另一種解釋。這種解釋甚至更進(jìn)了一步——它給出了輕子夸克的新概念。同樣，輕子夸克是這種新力量的載體。這種力可以將夸克直接轉(zhuǎn)化為輕子，包括電子、μ子和τ子——這也是這種粒子得名的原因。

與Z prime粒子模型不同，輕子夸克模型還可以用來(lái)解釋美夸克衰變?yōu)轸涌淇藭r(shí)出現(xiàn)的另一種異?，F(xiàn)象。在這一模型下要想驗(yàn)證大統(tǒng)一理論，需要的能量量級(jí)更接近我們目前的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

第四種顏色——紫色

伊西多里是輕子夸克模型的支持者。按照他的說(shuō)法，與之前的大統(tǒng)一理論相比，這一模型代表了“研究范式的改變”。雖然之前的模型致力于尋找將三種力統(tǒng)一起來(lái)的對(duì)稱性，但輕子夸克模型卻可以將輕子與夸克統(tǒng)一起來(lái)，其關(guān)鍵思路與標(biāo)準(zhǔn)模型不同。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，作用在夸克上的強(qiáng)力，具有類似于電荷的性質(zhì)，我們稱之為“顏色”。顏色有三種，分別為紅色、綠色和藍(lán)色。輕子不具有顏色，因此不會(huì)受到強(qiáng)力的作用。然而，在輕子夸克模型中，存在第四種顏色，有時(shí)我們將其稱作紫色，它源于描述強(qiáng)力的一種更宏大的對(duì)稱性。這種更大的對(duì)稱性可以分解為通常的紅色、綠色和藍(lán)色的三色強(qiáng)力，由夸克攜帶。以及第四種顏色，由輕子攜帶。實(shí)際上，輕子只是一種不同顏色的夸克。

這是個(gè)令人振奮的想法——但現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，如何證明這樣的異常是真實(shí)的。伊西多里已經(jīng)確信了這一觀點(diǎn)?！皩?duì)我來(lái)說(shuō)，證據(jù)已經(jīng)非?？煽??！彼@樣說(shuō)道。但并非所有人都對(duì)此表示同意。盡管考慮到異?，F(xiàn)象具有明顯的差異性，許多統(tǒng)計(jì)誤差現(xiàn)在似乎不太可能得到解釋，但目前的問(wèn)題在于，無(wú)論是理論預(yù)言還是實(shí)驗(yàn)測(cè)量，都仍然可能還有被忽視的偏差存在。

LHCb已經(jīng)開(kāi)始了新的測(cè)量工作，以確認(rèn)并測(cè)試隱藏的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。2021年10月，我和劍橋大學(xué)的同事約翰?史密頓（John Smeaton）利用LHCb數(shù)據(jù)樣本中未開(kāi)發(fā)的部分對(duì)希勒-克魯格比值進(jìn)行了新的測(cè)量。測(cè)量顯示的效應(yīng)與三月份時(shí)測(cè)得的結(jié)果非常相似。這強(qiáng)有力地支持了新力量存在的結(jié)論。

與此同時(shí)，對(duì)異?，F(xiàn)象的研究熱潮喚醒了LHC的兩大野獸——ATLAS和CMS探測(cè)器。2012年，它們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，一種早前預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，它賦予了所有其他基本粒子以質(zhì)量?，F(xiàn)在，它們開(kāi)始探測(cè)預(yù)言中的Z prime粒子和輕子夸克。在日本，Belle II實(shí)驗(yàn)正在不斷積累數(shù)據(jù)，以期能夠獨(dú)立檢查L(zhǎng)HCb的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。今年晚些時(shí)候，升級(jí)后的LHCb將以更快的速度收集數(shù)據(jù)，幫助我們尋找更罕見(jiàn)的衰變形式，以及其中可能存在的更明顯的異常現(xiàn)象。

如果這一全新圖景得到證實(shí)，我們對(duì)自然界本質(zhì)的理解會(huì)發(fā)生革命性的轉(zhuǎn)變，這將揭示標(biāo)準(zhǔn)模型之下的更深層次的結(jié)構(gòu)，甚至可能促使我們理解暗物質(zhì)的本質(zhì)，或是希格斯玻色子的奇特性質(zhì)。這將是自標(biāo)準(zhǔn)模型建立以來(lái)基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域中最偉大的發(fā)現(xiàn)。賭注很高，而游戲仍在繼續(xù)。

資料來(lái)源 New Scientist