物理學標準模型路在何方？

編譯 夏冰

大型強子對撞機的底夸克實驗探測器。正是它發現了μ子的反常現象。μ子g-2實驗小組宣布了有關μ子磁性的發現，這項發現令科學家們大惑不解

μ子實驗結果讓物理學一片混亂。與基礎理論相悖的反常實驗結果迫使物理學家踏上了尋找新理論解釋的艱難道路。

物理學家現在應該很是興奮。2021年4月，一項實驗顯示，一種叫作“μ子”（繆子、渺子）的基本粒子具有很強的磁性。至少從表面上看，這個令科學界大呼意外的結果意味著現有基本粒子理論并不完備。如果實驗與理論之間的這種差異得到證實，那將是現有理論自50年前問世以來首次無法解釋實驗結果——而物理學家最愛的事莫過于證明某種理論錯誤。

4月7日，在伊利諾伊州芝加哥附近工作的μ子g-2實驗小組對外宣布了這個反常的實驗結果。不過，這一結果并未指向具有革命意義的新理論，它給科學界帶來的是一個謎。物理學家目前掌握的所有基本粒子理論都很難解釋這個實驗結果。另外，其實早在今年3月2日，一項對撞機實驗還報告了μ子的另一種反常現象，這更是令物理學家們面對的任務艱巨起來。總而言之，物理學研究者現在必須讓理論物理學理論來上三個180° 大轉彎，才可能找到合理的解釋。

僵尸模型

以超對稱理論為例。目前物理學界的主流研究范式就是所謂的粒子物理學標準模型，且許多物理學家一度認為超對稱理論是這一模型最有前途的理論擴展。超對稱理論有很多變體形式，但總的來說，它們都假設標準模型中的每個粒子都有一種尚未被發現且質量更大的對應粒子，稱為“超伴子”（超對稱粒子）。超伴子可能就是在μ子周圍空曠空間中不斷產生又湮滅（這種量子效應可能有助于解釋為什么這種粒子的磁場要比科學家預期的更強）的“虛粒子”之一。

如果事實果真如此，那么這些超伴子就能一次解決兩大謎團：μ子磁性問題和暗物質問題。所謂暗物質，就是一些看不見的物質，目前看來，正是它們通過自身引力束縛住了各個星系。

很多證據都表明，暗物質的組成可能是一類質量數百倍于質子的超伴子。這一觀點直到十年前才受到有力挑戰。許多科學家原本都期待著位于瑞士日內瓦外的大型強子對撞機能夠通過撞擊大量生產這些新粒子，但到目前為止，他們還一無所獲。大型強子對撞機目前已經得到的數據表明，如果超伴子真的存在，那么它們的正常質量至少是質子的1 000倍（這個下限還有可能更高，具體是多少取決于超伴子的類型，以及各大超對稱理論的偏好）。

“很多人現在都覺得，超對稱理論差不多已經完了。”德國德累斯頓理工大學理論物理學家、μ子g-2實驗小組成員多米尼克·史多金格（Dominik St?ckinger）說。不過，他本人仍舊把超對稱理論視作這些反常實驗結果的可能解釋方案之一。“和其他理論放在一起比較，超對稱理論也沒那么糟糕。”史多金格說。

他還表示，有一種解釋既可以讓μ子g-2實驗結果與超對稱性相諧，又能為暗物質提供證據。那就是，大型強子對撞機的對撞實驗中可能出現了不止一種超伴子，而是兩種，且它們的質量大致相當——比如，一種是質子的550倍，另一種是質子的500倍。對撞會產生質量稍大的那種超伴子。這種粒子隨后又會迅速衰變成兩種粒子：一種是質量稍輕一些的超伴子，另一種則是符合標準模型的普通粒子，后者帶走了兩種超伴子之間50個質子質量左右的質量差。

只要這種普通粒子足夠大，大到能夠帶走兩種超伴子之間的質量差，那么大型強子對撞機的探測器就完全有可能發現這類衰變。不過，質量很輕的粒子可以在不被探測器發現的前提下逃逸。“這是大型強子對撞機的一個盲點，我們很早之前就很清楚。”加利福尼亞門洛帕克美國國家加速器實驗室理論物理學家邁克爾·佩斯金（Michael Peskin）說。

不過，這種解釋也還有問題沒有解決：根據這種包含兩種質量相似超伴子的模型，宇宙中的暗物質含量應該遠比天文學家現在觀測到的高。因此，佩斯金解釋說，即便這種模型正確，也還需要補充一種能夠削減理論預言暗物質含量的機制。這無疑會增加理論的復雜性。為了讓現有超對稱理論符合觀測結果，其所有組成部分“只能是這樣”。

與此同時，物理學家還發現了更多μ子異常現象的線索。大型強子對撞機的一項實驗，底夸克實驗，發現了一些初步證據證明，B介子（一種比μ子更重的粒子）的分裂產物中，μ子的出現頻率要顯著小于電子。然而，根據標準模型，除了質量之外——μ子的質量比電子大207倍——μ子和電子應該在各個方面都完全一致。因此，B介子分裂產生的電子和μ子應該大致相當才對。

大型強子對撞機底夸克實驗發現的μ子異常現象遭遇的困境與最近發現的μ子磁性異常現象相同：出現了各種或許可行的解釋，但它們都“勉勉強強”。巴黎-薩克雷大學物理學家亞當·法爾科夫斯基（Adam Falkowski）說：“看到大家把一個個超對稱理論僵尸模型從墳墓里拖出來，我很是震驚。”

其他選項

物理學家表示，他們現在要構建的理論既要解釋μ子g-2實驗的所有發現，又要解釋大型強子對撞機的實驗結果。于是，這個任務就變得越發艱巨起來。“極少有模型能夠同時解釋這兩個方面。”史多金格說。特別需要指出的是，能夠解釋μ子g-2實驗和暗物質的超對稱模型對解釋大型強子對撞機的底夸克實驗完全無能為力。

盡管如此，還是有一些方案或許可以奇跡般地同時解決這兩方面的問題。其一就是輕子夸克。輕子夸克是一種假想粒子，它能將夸克轉變成μ子或電子（μ子和電子都是輕子）。早在20世紀70年代，就有物理學家嘗試令粒子物理學“大統一”，也即嘗試證明三種基本力——強相互作用力、弱相互作用力和電磁力——是同一種力的不同方面。輕子夸克理論有望復興這種嘗試。

20世紀70年代的大部分大統一理論都沒能通過實驗的檢驗，存活下來的輕子夸克理論則變得相當復雜，但仍然擁有不少支持者。“輕子夸克理論可以解決另一大謎團：為什么不同粒子族的粒子質量差異這么大。”瑞士蘇黎世大學理論物理學家基諾·伊斯多利（Gino Isidori）說。一種粒子族的粒子由質量較輕的夸克（質子和中子的組成部分）和電子構成。另一種粒子族的粒子由質量較重的夸克和μ子構成。還有一種粒子族的粒子則由質量更重的基本粒子構成。

除了輕子夸克理論之外，有望同時解決大型強子對撞機底夸克實驗和μ子g-2實驗反常結果的另一重要候選方案，是一種叫作“Z’玻色子”的粒子。之所以叫這個名字，是因為這種粒子與Z玻色子相似，后者攜帶著與核衰變有關的“弱相互作用力”。英國劍橋大學理論物理學家本·阿拉納赫（Ben Allanach）說，Z’玻色子同樣有助于解決三種粒子族粒子質量差異之謎。“我們現在構建的模型會很自然地推導出某些特征，你能輕松認識到這三族粒子之間的差異。”他說。阿拉納赫還補充說，輕子夸克理論和Z’玻色子理論有一個共同的優點：大型強子對撞機的實驗結果還沒有徹底排除它們成立的可能，但這部機器最終一定會告訴我們，這兩種理論究竟是否成立。

大型強子對撞機目前正處于設備升級階段，等到2022年4月，它將重新啟動。屆時，大量數據的出現可能會更加突顯μ子反常現象，同時也可能為我們長期以來一直在尋找的新粒子提供線索。（不過，佩斯金表示，要想做到這點，需要調整一部尚處計劃階段且原本旨在研究希格斯玻色子的電子-正電子對撞器，以使其能夠解決大型強子對撞機的部分盲點問題。）與此同時，明年開始的新一輪μ子g-2實驗將會為物理學家提供更多實驗結果。一旦我們更準確地掌握了這些數據，有關μ子磁性的實驗結果與理論預言之間的差異程度本身就能排除或支持某些解釋。

除非，在新一輪規模更大、精確度更高的實驗中，這種差異消失了。那就證明標準模型再度勝出。實際上，在今年4月的一份報告中，標準模型對μ子磁性的最新理論計算結果已經與實驗結果大為接近。到目前為止，無一例外，那些反對標準模型的人最終全部失敗了，這令物理學家們很是謹慎。“我們——或許——正處于新時代的起點。”史多金格說。

資料來源Nature