大型強子對撞機的光點可能預示著物理學的新時代

攜帶第五種自然力的新粒子的跡象在大型強子對撞機上成倍增加——許多物理學家相信這最終可能成為大粒子

2021 年 1 月 20 日晚上六點半，在漫長的冬季封鎖的陰霾中，一個小團隊在 Zoom 上聚會，分享他們知道可能永遠改變物理學的時刻。“我真的在發抖，”倫敦帝國理工學院的 Mitesh Patel說。他和他的團隊即將在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心 （CERN） 粒子物理實驗室的 LHCb 實驗中“揭開”期待已久的測量結果——最終可能會打破標準模型，即我們目前對自然界基本原理的最佳描述運作。

測量涉及被稱為“美”或“底”夸克的亞原子粒子。在過去的幾年裡，他們的行為暗示了超出我們既定理解的力量。現在，隨著提示的不斷確定，更多的結果即將出現，關鍵時刻到了。如果這些夸克的行為就像它們看起來的那樣，那麼我們不僅看到了一種未知的自然力的影響，而且也許還看到了一種新的、統一的粒子和力理論的輪廓。

這是一個很大的假設——但是許多粒子物理學家都提心吊膽，包括我自己在內。“我從來沒有見過這樣的東西，”瑞士蘇黎世大學的理論家Gino Isidori說。“我這輩子從來沒有這麼興奮過。”

儘管在描述我們宇宙的基本成分方面取得了令人眼花繚亂的成功，粒子物理學的標準模型仍有許多缺點。它無法解釋暗物質，即阻止星系飛散的無形物質，或似乎正在推動宇宙加速膨脹的暗能量。它也不能告訴我們物質如何在大爆炸中倖存下來，而不是被等量的反物質湮滅。更重要的是，它有幾個明顯武斷的特徵，需要更深入的解釋。顯然，標準模型並不是全部。要完成它，我們需要打破它。

美夸克的傳奇始於 2000 年代中期，當時德國慕尼黑大學的理論物理學家 Gudrun Hiller 正在從日本的 Belle 實驗和加利福尼亞的 BaBar 實驗的大量資料中尋找見解。這些“B 工廠”透過電子與其反粒子正電子的碰撞產生美夸克。美夸克會存活一瞬間——平均大約 1。5 萬億分之一秒——然後衰變成其他粒子。

一種奇異的美

希勒對一種極其罕見的衰變特別感興趣，在這種衰變中，美夸克轉變為奇夸克，這是六種夸克中第三重的。在這樣做的過程中，它會發射出兩個帶相反電荷的 μ 子，即較重的電子。像這樣的罕見衰變非常有價值，因為如果它們存在的話，可能會受到未知自然力量的強烈影響。這個想法是對這種衰變進行最精確的測量，並將它們與理論家可以使用標準模型做出的最精確的預測進行比較。如果兩者不一致，你就有了新力量的證據。

問題是，關於美夸克應多久轉變為奇夸克和兩個 μ 子的理論預測受到量子色動力學 （QCD） 的不確定性的困擾，量子色動力學是控制夸克在標準模型中如何相互作用的強力理論。 這使得很難與實驗測量進行任何有意義的比較——任何差異都可能歸結為預測的不精確。“我們意識到我們碰壁了，”希勒說。

她和她的合作者弗蘭克克魯格並沒有被嚇倒，他們意識到，如果你看看這種衰變發生的頻率與類似的衰變吐出電子的頻率相比，QCD 帶來的令人討厭的不確定性就被抵消了。可以非常精確地預測這兩種衰變的比率——但只對以不同強度拉動電子和 μ 子的力敏感。那是一個遠景。所有已知的力均等地拉動這兩個粒子，假設任何未發現的力也會這樣做，這意味著希勒和克魯格的比率不會揭示任何新的東西。

十年後，CERN大型強子對撞機 （LHC）的碰撞開始產生大量美夸克，LHCb 實驗記錄和分析了這些美夸克，LHCb 實驗是法國-瑞士邊界下方 27 公里加速器環上的四個大型粒子探測器之一。 現在，物理學家真的可以開始將這些最罕見的衰變放在顯微鏡下觀察了。當他們這樣做時，有趣的異常現象開始出現。

第一次是早期測量表明衰變產生一個奇異夸克和兩個 μ 子的頻率低於標準模型預測的頻率。然後，在 2013 年，LHCb 實驗釋出了一項新的測量結果，分析了這些衰變中產生的粒子飛出的角度。這一次，有更強烈的偏離標準模型的跡象。然而，理論上仍有足夠的不確定性，足以讓人爭論不休。

希勒和克魯格的比例有幫助嗎？2014 年，LHCb 釋出了第一個測量結果，比較了美夸克衰變為 μ 子和電子的頻率。出乎所有人意料的是，資料再次與標準模型不符。美夸克衰變成 μ 子的頻率似乎低於電子。分析得出的結論是，偏差完全歸因於資料中一些隨機統計波動的可能性不到 1%。這距離宣佈粒子物理學發現所需的黃金標準統計顯著性還有很長的路要走，這相當於 350 萬分之一的結果是僥倖。

強烈的偏差

儘管如此，當你將 μ 電子比、角度和衰變發生頻率的測量值結合起來時，似乎確實出現了一幅連貫的圖景。從那以後，幾乎每次用更多的美夸克資料更新測量時，與理論的偏差就會變得更大。

幾乎，因為有一個明顯的例外。當 Hiller-Krüger 比率在 2019 年更新為更多資料時，測量值向標準模型值移動。“我們真的以為我們做到了，”領導這項工作的帕特爾說。“我們最終感到內疚。” 因此，當 Patel 和他的同事於 2021 年 1 月在 Zoom 上會面並公佈一項新的測量方法時，情緒高漲。

劍橋大學實驗物理學家Paula Alvarez Cartelle 按下按鈕，公佈了結果。該比率的測量值幾乎保持不變，但它的誤差縮小了，與標準模型預測產生了明顯的緊張關係。現在這種差異是統計僥倖的可能性不到千分之一。通話中的每個人都爆發了。“有很多咒罵，”帕特爾說。然而，團隊也感受到了責任的重壓；他們知道結果會引起巨大的興奮。正如 Alvarez Cartelle 所說：“你不想想，‘我剛剛打破了標準模型’，但與此同時你有點，‘哦，該死！’。”

反常在粒子物理學中來來去去，沒有任何 μ 子電子比的測量本身已經超過統計確定性的門檻，被視為一個決定性的發現。但是，所謂的“B 異常”具有一致性，這導致越來越多的物理學家將其視為真正的交易。“我已經變成了一個信徒，”劍橋大學的理論家本•阿拉納赫 （ Ben Allanach ） 說。“總是有健康的懷疑，但事實上它來自許多不同的角度並說同樣的話，這是非常有說服力的。”

在這種情況下，是什麼導致了這些異常？Allanach 過去幾年一直在努力解決這個問題。對他來說，最有希望的候選者是由稱為 Z 素數的假設粒子攜帶的力。這將非常重，電中性，而且至關重要的是，它會與具有不同強度的電子和介子相互作用。這可以解釋為什麼美夸克衰變成 μ 子的頻率低於電子——Z 素數正在阻止它們。

這也可以解釋標準模型中最神秘、看似武斷的特徵之一：物質粒子分為三個“世代”。第一個包含構成最普通物質的熟悉粒子：電子、電子中微子和上下夸克。第二個包含這些粒子的較重副本：μ介子、μ介子中微子、魅力夸克和奇夸克。第三代更重：陶夸克、陶中微子、頂夸克（或“真”）和美夸克。這些世代的存在長期以來一直是一個謎，因為物質粒子的質量變化如此之大這一奇特的事實也是如此，頂夸克比電子重約 350，000 倍。

如果美夸克異常揭示了一種幾乎只作用於第三代粒子的新力的存在，就可以解釋不同的世代。“我正在研究的模型包含一個對稱性，這意味著如果你稍微眯起眼睛，就會發現只有第三代才有質量，”Allanach 說——這可以解釋為什麼這些粒子如此重。

這種新力量的影響不會就此結束。在 20 世紀下半葉，物理學家發現標準模型描述的三種自然力——強力、弱力和電磁力——都可以用數學對稱性來描述。在 1970 年代，人們大力推動將所有三種力集中在一個更大的對稱性下，以建立所謂的大統一理論，承諾將這些力和物質粒子統一到一個優雅的結構中。

問題是各種大統一理論預測質子應該衰變，而進行的每項實驗都沒有看到任何跡象。更重要的是，探索這些理論所需的能量比大型強子對撞機所能達到的能量高出一萬億倍以上，這意味著他們預測的新粒子遠遠超出了實驗範圍。因此，統一力和物質粒子的探索已經停滯了幾十年。

B 異常似乎是古老的大統一理論的復興，但其能量遠低於任何人的預期。“我們正在做的是加入一點點對稱性——它是大統一理論的一個元素，但它只是一個小元素，”Allanach 說。他認為，我們目前看到的一種新力量的跡象可能是一種更宏大的對稱性的低能量殘餘，只有在非常高的能量下才會變得明顯。換句話說，我們可能瞥見了大統一理論的邊緣。

希勒開創了對 B 異常的另一種解釋，這種解釋更進一步——一種被稱為輕夸克的粒子。同樣，輕夸克將成為一種新力量的載體。這種力會將夸克直接轉化為電子、介子和陶子，統稱為輕子——粒子的名字由此而來。與 Z 素數模型不同，輕夸克模型還旨在解釋在另一種型別的美夸克衰變中出現的第二組異常現象，這次是針對魅夸克，同時指向一個在能量尺度方面更接近的統一理論。

紫羅蘭色

Isidori 是輕夸克的支持者。他說，與舊的大統一理論相比，這些模型代表了“正規化的改變”。雖然舊模型尋找統一所有三種力的對稱性，但現代輕夸克模型反而將輕子與夸克統一起來。

他們透過以一種關鍵的方式不同於標準模型來做到這一點。在標準模型中，作用於夸克的強力的等效電荷稱為“顏色”。它有紅色、綠色和藍色三種。輕子不帶顏色，所以它們感覺不到強大的力量。然而，在輕夸克模型中，有第四種顏色，有時標記為紫色，它來自描述強力的對稱性的放大版本。然後，這種更大的對稱性分解為通常的三色強力，包括紅色、綠色和藍色夸克，而剩下的第四種顏色則由輕子攜帶。輕子實際上只是顏色不同的夸克。

這是令人興奮的事情——但現在的挑戰是證明這些異常現象是真實存在的。一方面，伊西多里對此深信不疑。“對我來說，證據已經非常可靠，”他說。但並非所有人都同意。儘管考慮到不同異常的範圍，現在看來一系列不幸的統計僥倖似乎是一個非常不可能的解釋，但隱約可見的幽靈可能是在理論預測或實驗測量中，或兩者兼而有之。

LHCb 已經在進行新的測量，以確認圖片並測試隱藏的實驗效果。2021 年 10 月，我和我在劍橋大學的同事 John Smeaton使用 LHCb 資料樣本的未探索部分對希勒-克呂格比率進行了新的測量。它顯示出與 3 月份非常相似的效果，加強了新力量的理由。

與此同時，圍繞異常的日益增長的興奮已經喚醒了大型強子對撞機的兩大野獸，即 ATLAS 和 CMS 實驗。2012 年，他們發現了希格斯玻色子，這是一種長期預測的標準模型粒子，它賦予所有其他基本粒子以質量，現在開始考慮他們可能發現預測的 Z 素數或輕夸克的方法。在日本，Belle II 實驗正在逐漸積累資料，使其能夠獨立檢查 LHCb 的多個結果。今年晚些時候，升級後的大型強子對撞機將開始以比以前高得多的速度收集資料，使我們能夠尋找異常可能更強的更罕見的衰變。

如果新出現的圖景得到證實，我們將對自然界的成分進行一場革命，它可以揭示標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暗物質的奇異特性。希格斯玻色子。如果發生這種情況，那將是自標準模型建立以來基礎物理學中最偉大的發現。賭注很高，遊戲還在繼續。

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