標準模型作為一個行之有效的理論，主導(dǎo)了近幾十年來粒子物理的發(fā)展。然而，粒子物理學(xué)家一直渴望發(fā)現(xiàn)存在于標準模型以外的新物理現(xiàn)象。近日，他們終于在大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中發(fā)現(xiàn)了新的粒子可能存在的證據(jù)。

圖 | LHCb實驗正是依靠這個極為精密的頂角探測器來發(fā)現(xiàn)B介子的微小衰變

作為世界上最大的粒子加速器，坐落于瑞士日內(nèi)瓦郊外的大型強子對撞機隸屬于歐洲核子中心（Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire，CERN）。大型強子對撞機通過加速質(zhì)子到一個極高的能量后產(chǎn)生碰撞，得到新的粒子，再采用兩個大型探測器，ATLAS和CMS，對新的粒子進行檢測。

除了兩個大型探測器外，還存在一個小型探測器，LHCb。其功能是精確探測一類相似的粒子，包括這次發(fā)現(xiàn)的B介子的衰變過程。2012年在科學(xué)家們曾利用其大型探測器發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，完善了標準模型的最后一片拼圖，自此之后，再沒有新的粒子被發(fā)現(xiàn)過。

圖 | 發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的碰撞過程示意圖

此次所發(fā)現(xiàn)的最新信號包含了B介子衰變的偏差信息。盡管僅有這一證據(jù)還不能夠支撐結(jié)論，但結(jié)合其他證據(jù)后，這一新發(fā)現(xiàn)可能預(yù)示著高能領(lǐng)域中的一個新的粒子的存在。來自巴塞羅那的理論物理學(xué)家Matias表示：“觀測到的B介子的衰減出現(xiàn)相干偏差的這組數(shù)據(jù)在過去的實驗中從未出現(xiàn)過。而對這一現(xiàn)象最好的解釋就是有一種新的粒子存在。”Matias認為，新粒子存在的證據(jù)已足夠充足，但其他同行認為新理論還有待檢驗。

圖 | Joaquim Matias

B介子由基礎(chǔ)粒子——夸克組成。近似的質(zhì)子和中子由兩種夸克組成，上夸克和下夸克，三個束縛在一起。在高能粒子碰撞中，這些夸克與其對應(yīng)的反物質(zhì)夸克一起，可以生成更重的夸克— 粲夸克、奇夸克、頂夸克和底夸克。這些重夸克與其反夸克結(jié)合生成介子。

圖 | 原子構(gòu)成示意

B介子千分之一納秒的壽命使得觀測新物理現(xiàn)象成為可能。根據(jù)量子力學(xué)不確定性原理，B介子的內(nèi)部受到飛進飛出的粒子影響，導(dǎo)致其衰變受到影響。即使是那些大型強子對撞機所無法產(chǎn)生的新的大粒子，當(dāng)其與B介子內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用時，也會影響B(tài)介子衰變速率和細節(jié)偏離于標準模型的預(yù)測。

該方法作為一種間接發(fā)現(xiàn)新粒子的方法，經(jīng)實驗檢測是行之有效的。早在上世紀70年代，在僅有上夸克、下夸克和奇夸克被知道的情況下，物理學(xué)家通過發(fā)現(xiàn)K介子衰減的其特性預(yù)測了粲夸克的存在。其中，K介子是一類包含有一個奇夸克束縛于反夸克的介子的總稱。

圖 | B介子在碰撞中破碎

在當(dāng)天的CERN的一次討論中，LHCb的物理學(xué)家聲稱，從他們最新的實驗成果中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一種B介子衰變?yōu)橐粋€K介子時，這個過程產(chǎn)生的副產(chǎn)品的幾率具有明顯的非均勻性，即衰變過程產(chǎn)生μ子（與電子類似）和反μ子的幾率要小于產(chǎn)生電子和正電子的幾率。然而，根據(jù)標準模型的預(yù)測，兩幾率應(yīng)是相同的。LHCb團隊的發(fā)言人，牛津大學(xué)物理學(xué)家Guy Wilkinson表示，“這個測量結(jié)果非常有意義，因為在理論上來說，兩個幾率應(yīng)是嚴格相同的。”

這項測量結(jié)果僅是LHCb物理學(xué)家所發(fā)現(xiàn)6個證據(jù)的其中之一。雖然這些證據(jù)都很微弱，但它們較為一致。比如，早在2013年時，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，粒子在B介子衰變過程中出射的角度與理論預(yù)測不也是嚴格相符的。

然而，這些反常現(xiàn)象指向的具體模型則不那么確定。在標準模型中，B介子衰變到K介子的過程是一個“環(huán)形”過程，即底夸克反轉(zhuǎn)為頂夸克然后變?yōu)槠婵淇?。在這個過程中，需要釋放然后再吸收一個W玻色子。W玻色子又可被稱為“作用力粒子”，它可傳遞弱相互作用。

圖 | W玻色子放射衰變概念圖

新的數(shù)據(jù)顯示，底夸克可能直接漸變?yōu)槠婵淇?，并放出一個新的粒子，Z9玻色子。然而，這一過程是在標準模型中是禁止發(fā)生的。Z9玻色子，這一假設(shè)中的Z玻色子家族的新成員，將會是標準模型以外第一個新粒子，并將在現(xiàn)有的理論中增添一種新的力。這一額外的衰變過程可以降低衰變過程中μ子的數(shù)量，進而解釋這一異?，F(xiàn)象。

“雖然這像是一種臨時理論，但卻可以很好的對數(shù)據(jù)進行擬合?！?/strong>來自俄亥俄州的理論物理學(xué)家Wolfgang Altmannshofer說到。還有物理學(xué)家提出另一種新物質(zhì)，輕子夸克。即“環(huán)形”過程中產(chǎn)生了輕子夸克，也可解釋這一異常現(xiàn)象。

圖 | Wolfgang Altmannshofer

當(dāng)然，這一新的物理發(fā)現(xiàn)也可能是實驗數(shù)據(jù)波動的幻覺。ALTLAS和CMS的物理學(xué)家在18個月前就曾報道，新型重粒子的證據(jù)隨著觀測數(shù)據(jù)量的增加而消失。而Altmannshofer表示，目前這些證據(jù)的可信度與前的那些證據(jù)的可信度類似，他們也可能面臨相同的情況。

物理學(xué)家使用LHCb搜尋到新粒子的證據(jù)無疑是強調(diào)了LHC沒能實現(xiàn)其發(fā)現(xiàn)新粒子的本職工作?！?strong>ATLAS 和CMS是被設(shè)計用來發(fā)現(xiàn)新粒子的探測器，而LHCb則應(yīng)更多的起到補充的作用，” Matias說到，“但事實就是事實?！?/p>

如果Z9玻色子或是輕子夸克存在，那么LHC將有機會將其對撞出來，盡管它們的壽命可能非常短暫。LHC目前正在進行冬日關(guān)閉后的恢復(fù)工作。下個月，這些新粒子探測器將就位。