參考封面秀｜實體學新曙光——新粒子改變遊戲規則

參考消息網1月22日報道英國《新科學家》周刊1月15日一期發表題為《實體學的新曙光——大型強子對撞機找到了迄今為止最有力的迹象，表明有一種新粒子可以改變遊戲規則》的文章，作者系哈裡·克利夫。文章稱，如果浮現的圖景得到證明，我們對自然界組成要素的了解将迎來一場革命。全文摘編如下：

2021年1月20日晚6點半，在漫長的冬季封鎖的陰霾中，一個小團隊在Zoom上開會，分享一個他們知道可能永遠改變實體學的時刻。倫敦帝國理工學院的米特什·帕特爾說：“我真的在發抖。”他和他的團隊即将“解開”期待已久的大型強子對撞機底誇克實驗（LHCb）的結果，這一實驗可能最終會打破标準模型，也就是我們目前對自然界基本運作情況的最佳描述。

這項測量涉及被稱為“美誇克”或“底誇克”的亞原子粒子。在過去的幾年裡，它們的行為暗示了有超出我們既定了解的力。現在，随着迹象持續得到證明，更多的結果即将出現，現在是關鍵時刻。如果這些誇克的行為就像它們看起來那樣，那麼我們看到的不僅是一種未知自然力的影響，也許還勾勒出了一種新的統一的粒子和力學理論的輪廓。

連貫的“美誇克異常”

美誇克的傳奇始于21世紀頭十年中期，當時德國慕尼黑大學的理論實體學家古德倫·希勒，從日本的貝爾實驗和在加利福尼亞州進行的巴巴實驗的海量資料中獲得見解。電子與其反粒子正電子的碰撞産生美誇克。美誇克在衰變成其他粒子前會存活片刻——平均約1.5萬億分之一秒。

希勒對一種極其罕見的衰變特别感興趣，在這種衰變中，美誇克變成了奇誇克，這是六類誇克中第三重的誇克。在此過程中，它會發射兩個帶相反電荷的μ子，也就是較重版本的電子。像這樣的罕見衰變是非常有價值的，因為如果它們存在的話，可能會受到未知的自然力的強烈影響。我們的想法是對這樣的衰變進行最精确的測量，并将它們與理論實體學家使用标準模型所能收集到的最精确的預測進行比較。如果兩種結果不一緻，就有證據表明有新的力。

十年後，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上的碰撞開始産生一系列的美誇克，LHCb實驗記錄并分析了這些美誇克。

第一次異常是在早期測量時發現的，産生一個奇誇克和兩個μ子的衰變發生的頻率比标準模型預測的要少。然後，在2013年，LHCb實驗釋出了一項新的測量，分析了在這些衰變過程中産生的粒子飛出的角度。這次，出現了更強烈的偏離标準模型的迹象。然而，理論上仍有足夠的不确定性，有待商榷。

2014年，LHCb釋出了第一個測量資料，比較了美誇克衰變成μ子和電子的頻率。讓幾乎所有人都感到意外的是，資料再次與标準模型不符。

粒子實體學中的異常現象來來去去，而對μ子-電子比率的測量本身還沒有跨過統計确定性的門檻，是以它還不能被視為決定性的發現。但是，所謂的“美誇克異常”有一種連貫性，這使得越來越多的實體學家認為這是真的。

“我已經變成了一個信徒，”劍橋大學的理論實體學家本·阿蘭納奇說，“總是有合理的懷疑，但事實是，這種懷疑來自許多不同的角度，而且說的是同一件事，這一事實相當令人信服。”

“大統一理論”的邊緣

在這種情況下，是什麼導緻了這些異常呢？阿蘭納奇在過去的幾年裡一直試圖弄清楚這一點。對他來說，最有希望的候選粒子是一種被稱為Z prime的假想粒子所攜帶的力。這将是非常重的、中性的，關鍵是，它将與電子和μ子産生不同強度的互相作用。這可以解釋為什麼美誇克衰變成μ子的頻率比衰變成電子的頻率要低——Z prime阻止了它們。

如果美誇克異常揭示了一種幾乎完全作用于第三代粒子的新作用力的存在，就可以解釋不同代粒子的不同了。

這股新自然力的影響還不止于此。在20世紀下半葉，實體學家發現，标準模型所描述的三種自然力——強力、弱力和電磁力——都可以用數學對稱性來描述。在20世紀70年代，人們大力推動将這三種力結合到一個更大的對稱性下，建立所謂的大統一理論。

“美誇克異常”現象似乎正在複活舊的大統一理論的某些方面，但能量遠遠低于任何人的預期。阿蘭納奇認為，我們目前看到的新自然力的迹象可能是一種更宏偉的對稱性的低能量殘留物，隻有在非常高的能量下才會變得明顯。換句話說，我們可能瞥到了大統一理論的邊緣。

迎接實體學新革命

希勒開創了對“美誇克異常”的另一種更深遠的解釋——一種被稱為輕子誇克的粒子。輕子誇克将再次成為一種新的力的載體。這種作用力會将誇克直接轉化為電子、μ子和τ子，統稱為輕子——是以，也就是粒子的名稱。

現在的挑戰是證明這些異常現象是真實存在的。已經在LHCb實驗中進行新的測量，以确認這種情況并測試隐藏的實驗影響。

與此同時，圍繞這些異常現象日益增長的興奮已經喚醒了大型強子對撞機的兩隻巨獸——超環面儀器實驗和緊湊μ子線圈實驗。2012年，它們發現了希格斯玻色子，這是一種長期被預言的标準模型粒子，給出了所有其他基本粒子的品質；現在，開始考慮如何才能探測到預測的Z prime或輕子誇克。在日本，貝爾2實驗正在逐漸積累資料，這将使其能夠獨立檢查LHCb的幾個結果。

如果浮現的圖景得到證明，我們對自然界組成要素的了解将迎來一場革命。這可能會揭示标準模型下更深層次的結構，同時甚至可能讓我們掌握暗物質的性質或希格斯玻色子的奇怪特性。如果發生這種情況，這将是自标準模型建立以來，基礎實體學領域最偉大的發現。賭注很高，遊戲開始了。

來源：參考消息網