科學(xué)家在LHC碰撞點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型所不能解釋的反?，F(xiàn)象，這一現(xiàn)象在此前的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)里都看到過，但要被稱作一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的話，還需要更多的數(shù)據(jù)支持。

撰文 伊麗莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney）

翻譯 丁家琦

審校 韓晶晶

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的LHCb實(shí)驗(yàn)裝置中一個(gè)μ子探測(cè)器的內(nèi)景。圖片來源：CERN

科學(xué)家近期在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的信號(hào)，這可能會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)模型堅(jiān)實(shí)大廈上的第一條裂縫。

歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家在分析2011~2012年LHC收集的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)B介子在特定的衰變過程中放出τ子的頻率要高于放出μ子的頻率（τ子和μ子和電子一樣都屬于輕子，但比電子重），而標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為考慮到粒子質(zhì)量差異后，衰變產(chǎn)生兩種粒子的頻率應(yīng)該完全相同。該結(jié)果即將發(fā)表在這個(gè)月的《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters ）上，而論文作者早在6月就將論文上傳至預(yù)印本網(wǎng)站arXiv。

衰變率的這一差異是LHC底夸克（LHCb）實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)的，還不能當(dāng)做一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)來宣布，因?yàn)樗^于細(xì)微，有可能只是統(tǒng)計(jì)上的一個(gè)波動(dòng)，在收集到越來越多的B介子衰變數(shù)據(jù)之后就會(huì)消失。在粒子物理領(lǐng)域，宣布一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)通常需要5σ的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性（即與平均值偏離5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差），而LHCb的這一信號(hào)只有2.1個(gè)σ。

但物理學(xué)家還是為此歡欣鼓舞，因?yàn)橥瑯拥漠惓，F(xiàn)象在之前的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)過：美國(guó)SLAC國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的BaBar實(shí)驗(yàn)組在2012年，以及日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的Belle實(shí)驗(yàn)組在今年5月均報(bào)道過類似的結(jié)果。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家米捷什·帕特爾（Mitesh Patel）認(rèn)為L(zhǎng)HCb的結(jié)果正好符合了前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，他也參與了LHCb的實(shí)驗(yàn)。

“單個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的2σ差異不能說明什么，”同在LHCb工作，來自英國(guó)利物浦大學(xué)的粒子物理學(xué)家塔拉·希爾斯（Tara Shears）說，“但通過不同的實(shí)驗(yàn)和不同的人，在不同種類的衰變中發(fā)現(xiàn)一系列2σ的差異，就真的很有意思了?！?/p>

新物理的曙光？

去年，LHCb就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似的差異：在另一種B介子的衰變過程中，放出的電子頻率高于μ子，顯著性約為2.6σ。令人激動(dòng)的是，如果這兩個(gè)結(jié)果都是真的，它們可以用同一個(gè)新物理原理來解釋。

比方說，如果假定存在另一種希格斯玻色子，它帶有電荷，而且與衰變中牽涉到的各種粒子的相互作用都各不相同，這樣的話或許就能解釋這類差異。眼下最流行的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的擴(kuò)展是“超對(duì)稱”（supersymmetry）理論，它就預(yù)言了這類希格斯玻色子的存在，盡管帕特爾說這只是多種可能解釋中的一種。

在LHC的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)組CMS工作的物理學(xué)家唐·林肯（Don Lincoln）則提醒大家，這一“信號(hào)”很可能只是統(tǒng)計(jì)上的波動(dòng)，或是實(shí)驗(yàn)不確定性被錯(cuò)估所造成的。但這么多個(gè)地方都出現(xiàn)類似的信號(hào)，無疑值得引起科學(xué)家的注意?！斑@其中一定有更多需要仔細(xì)研究的細(xì)節(jié)?！彼f。

這一發(fā)現(xiàn)所基于的數(shù)據(jù)仍然是LHC在2011~2012年第一輪運(yùn)行時(shí)獲得的數(shù)據(jù)，為了在今年6月開始的第二輪運(yùn)行中積累數(shù)量相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，科學(xué)家還需要再等一年。與此同時(shí)，LHCb的研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)檢驗(yàn)其他類似的衰變過程數(shù)據(jù)，看看還有沒有類似的差異產(chǎn)生。

LHC分為四個(gè)主要探測(cè)器：LHCb，CMS，ATLAS和ALICE。其中，另外兩個(gè)裝置CMS和ATLAS的科學(xué)家已經(jīng)在追逐他們自己的有趣新發(fā)現(xiàn)了。他們的任務(wù)是直接尋找新粒子（LHCb則是通過觀察新粒子對(duì)已知衰變過程的影響來間接尋找它們），并且都在LHCb發(fā)現(xiàn)疑似新粒子的能量范圍內(nèi)（約2 TeV）發(fā)現(xiàn)了不明顯的“小峰”，有可能正是由新粒子的衰變所導(dǎo)致，不過還沒有足夠的證據(jù)表明CMS、ATLAS與LHCb發(fā)現(xiàn)的粒子是同一種。ATLAS組的論文已經(jīng)發(fā)布在arXiv上，他們將統(tǒng)計(jì)顯著性定為3.4σ。

自20世紀(jì)70年代以來，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)一次又一次地證明了標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性，但它不能解釋引力或暗物質(zhì)等現(xiàn)象，這讓很多物理學(xué)家認(rèn)為它只是更強(qiáng)有力的理論的一個(gè)近似。帕特爾說，他認(rèn)為L(zhǎng)HCb的試探性結(jié)果比之前其他設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可信，但只要有更多的數(shù)據(jù)和分析支持，不管哪個(gè)結(jié)果最終被證明是真的，他都會(huì)很高興?！皹?biāo)準(zhǔn)模型屹立不倒的時(shí)間已經(jīng)太久了，所以無論它以什么方式倒下，我們都會(huì)很樂意地接受。”

關(guān)于LHC在重啟前后都在干什么，請(qǐng)見《環(huán)球科學(xué)》2015年5月號(hào)《LHC 2.0：以全新的角度看宇宙》。