物理學的新曙光

編譯 王曉濤

2021年1月20日，這是漫長冬日中的一個陰天。晚上6點30分，一個科研小組召開視頻會議，共同度過了這個可能永遠改變物理學的時刻。“我當時真的在發抖。”倫敦帝國理工學院的米蒂什?帕特爾（Mitesh Patel）說道。他和他的團隊即將在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織粒子物理實驗室揭曉眾人期待已久的LHCb實驗的測量結果。這一結果很可能會在最后推翻標準模型——我們目前描述自然界基本運作法則的最佳模型。

實驗的重點觀測對象是一種被稱為“美夸克”或“底夸克”的亞原子粒子。在之前的幾年里，這類夸克的表現讓我們愈發堅定地認為，某種未知力量是存在的。在這個至關重要的時刻，我們迫切需要更多的觀測結果。如果這類夸克的實際表現確實與觀測結果相同，那么我們不僅將會看到一種未知的自然力的影響效果，而且很可能還會看到一套全新的、統一的粒子及力學理論的框架。

這是一個很大膽的假設——許多粒子物理學家都很難下定決心支持這個觀點，包括我自己。“我從未見過這樣的實驗結果，”瑞士蘇黎世大學理論物理學家吉諾?伊西多里（Gino Isidori）說道，“我這輩子從來沒有像現在這樣興奮過。”

盡管粒子物理學的標準模型在描述我們宇宙的基本構成時取得了各種令人目不暇接的豐碩成果，但它也有不足之處。標準模型無法解釋暗物質，一種阻止星系飛散的不可見物質。它也無法解釋推動宇宙加速膨脹的暗能量。標準模型并不能告訴我們，物質為什么沒有與等量的反物質湮滅，而是在宇宙大爆炸后幸存了下來。更重要的是，標準模型中有幾個關鍵結論顯得過于武斷，需要更深入的解釋才能自洽。顯然，標準模型還并不完備。為了完成這個模型，我們首先需要打破它。

美夸克的傳奇故事始于21世紀初。當時，德國慕尼黑大學理論物理學家古德倫?希勒（Gudrun Hiller）正試圖從日本貝爾實驗和加利福尼亞巴巴爾實驗的大量數據中探尋新的發現。這些“B介子工廠”通過將電子與其反粒子（即正電子）碰撞，來產生美夸克。美夸克的存在時間極短——平均為1.5萬億分之一秒——之后就會衰變成其他粒子。

奇怪的美夸克

希勒對一種極其罕見的衰變過程特別感興趣。在這種衰變中，美夸克會變成奇異夸克，這種夸克在六種夸克中重量排名第三。

在這一過程中，美夸克發射出兩個帶相反電荷的μ子，即一種“加重版”的電子。這種罕見的衰變是非常有價值的，因為此類過程可能會受到某種未知力的強烈影響。我們希望對這種衰變進行最精確的測量，并將結果與理論物理學家使用標準模型所能得出的最精確的預測進行比較。如果兩者不一致，我們就掌握了某種新的未知力存在的證據。

問題是，對于美夸克衰變成奇異夸克并放出兩個μ子的過程所需要的時間，理論預測給出的結果受到量子色動力學（QCD）不確定性的困擾。量子色動力學是一種關于夸克如何在標準模型中相互作用的理論。這使得理論結果很難與實驗測量結果進行有意義的比較——任何一點差異都可能歸結為理論預測的不確定性。“我們碰壁了。”希勒說。

她和同事弗蘭克?克魯格（Frank Krüger）并沒有氣餒。他們意識到，還有另一種與之類似但放出電子的衰變，如果我們測量的是這兩種衰變發生頻率的比值，就可以消除QCD令人討厭的不確定性。兩次衰變的頻率比值可以通過非常精確的預測得出結果——但這一結果只適用于以不同強度對電子和μ子作用的力。這是一次不大可能成功的嘗試。所有已知的力對這兩種粒子的作用效果都是相同的，并且我們假設，哪怕存在尚未被發現的力，其情況也應當是如此。這意味著希勒和克魯格測量比值的想法不會產生什么新的成果。

十年之后，在歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）的粒子對撞實驗中，相當多的美夸克誕生了。LHCb對這些夸克進行了記錄和分析。總長27公里的環形加速器位于法國與瑞士邊境的地下，它包括了四個大型粒子探測器，LHCb是其中的一個。現在，物理學家終于可以開始仔細研究這些最罕見的衰變。與此同時，一些有趣的異常現象出現了。

首先，早期的觀測結果表明，產生一個奇異夸克和兩個μ子的衰變，發生頻率低于標準模型預測的頻率。之后，LHCb實驗于2013年利用一種新的測量手段分析了這些衰變中產生的粒子飛出的角度。這一次的結果與標準模型的偏差變得更大。不過，理論還是存在較大的不確定性，因此這一結果依然值得討論。

希勒和克魯格想要測量的比值會對此有所幫助嗎？2014年，LHCb發布了首個測量結果，比較了美夸克衰變成μ子和電子的頻率。出乎所有人意料的是，數據結果再一次違背了標準模型。美夸克衰變為μ子的頻率似乎低于衰變為電子的頻率。通過分析可以得出結論，偏差純粹歸因于數據統計波動的可能性約為1%。這個結果遠遠無法達到發表粒子物理領域成果所需的黃金標準統計顯著性，即結果為偶然事件的可能性不到三百五十萬分之一。

巨大的偏差

盡管如此，結合μ子與電子的比值、角度測量值以及衰變發生頻率的測量值來看，這些結果確實有可能存在彼此契合的可能性。在這之后，在幾乎每一次的測量中，更新的美夸克數據越多，結果與理論的偏差就越大。

不過，還是存在一個值得注意的例外。2019年，對希勒-克魯格比值的測量給出了更多的數據，而結果開始接近標準模型給出的數值。“我們一度真的認為自己有了新的發現，”領導這項工作的帕特爾說，“可結果令人失望。”因此，當帕特爾和同事于2021年1月通過視頻會議公布全新的測量結果時，大家的情緒都十分高漲。

劍橋大學的實驗物理學家保拉?卡爾特列（Paula Alvarez Cartelle）公布了結果。測量的比值幾乎完全相同，但誤差與之前相比要更小。結果與標準模型的預測值之間存在明顯的差異。這種差異只有不到千分之一的可能是統計上的誤差。參會的每個人都極其興奮。“現場的驚嘆聲不絕于耳。”帕特爾說。然而，大家也感受到了責任的重量。他們知道這一結果會帶來巨大的反響。正如卡爾特列所說：“你會忍不住去想，‘我剛剛推翻了標準模型！’，但同時又會感受到一點壓力。”

標準模型：會有新增內容嗎

粒子物理學標準模型給出了一系列基本粒子，它們可以解釋所有可見物質以及三種基本力，除了第四種——引力。

如果美夸克衰變過程中的異常現象得到證實，那么這可能是我們第一次觀察到新的攜力粒子。它可以解釋為什么物質粒子分為三代，每一代都比上一代重——它甚至可能通過對輕子和夸克的作用而使兩者統一起來。

這樣的異常結果可能就是事實

異常現象在粒子物理學中并不罕見。對μ子-電子比值的測量還沒有超過統計確定性的門檻，因此還不能被認為是一個明確的發現。但是，這種“B異常”現象存在一致性，從而導致越來越多的物理學家認為這樣的結果是可信的。“我相信這一結果，”劍橋大學的理論物理學家本?阿拉納赫（Ben Allanach）說，“雖然還有值得懷疑的地方，但從不同的角度出發，得到的結論卻相同，這是非常有說服力的。”

那么，是什么原因導致了這種異常結果？在過去的幾年里，阿拉納赫一直試圖弄清楚這一點。在他看來，最有希望的候選者是一種被稱為Z prime的假想粒子所攜帶的力。這種粒子質量很大，呈電中性，并且最關鍵的是，它會與電子和μ子產生不同強度的相互作用。這可以解釋為什么美夸克衰變成μ子的頻率比衰變成電子的頻率要低——Z prime粒子阻止了這一過程的發生。

這也可以解釋標準模型中最神秘、看上去最武斷的特征：物質粒子有三代。第一代包括我們熟悉的組成各類物質的粒子：電子、電子中微子和上、下夸克。第二代則是這些粒子的更重的版本：μ子、μ子中微子、粲夸克和奇異夸克。第三代比第二代更重：τ子、τ子中微子、頂夸克（又叫真夸克）和美夸克。

長期以來，這幾代粒子的存在與否一直成謎。物質粒子的質量可能相差極大，例如頂夸克比電子要重約35萬倍。這樣的事實令人感到十分奇怪。

如果美夸克的異常現象可以揭示某種幾乎只作用于第三代粒子的新作用的存在，就可以解釋不同代粒子之間的差異。“我正在研究的模型擁有一種對稱性，這意味著如果你愿意接受的話，可以認為只有第三代粒子具有質量。” 阿拉納赫說——這能夠解釋為什么這些粒子的質量如此之大。

這種新力量的影響還不止于此。20世紀下半葉，物理學家發現標準模型所描述的三種基本性質力——強力、弱力和電磁力——都可以利用數學上的對稱性來描述。20世紀70年代時，科學家們努力嘗試，希望將三種力利用一種更宏觀的對稱性結合為一體，從而創造一種所謂的大統一理論。在這一理論的框架下，力和物質粒子可以統一為一個簡潔優雅的整體結構。

但問題在于，大統一理論預測質子應該衰變，可是并沒有實驗觀測到過這一跡象。更重要的是，探測理論預言的結果所需的能量甚至比LHC所能提供的能量還要高出一萬億倍以上，這意味著他們預測的新粒子遠遠超出了實驗的測量范圍。因此，將力和物質粒子統一為整體的研究工作已經停滯了幾十年。

B異常現象令之前的大統一理論重獲生機，并且探測所需的能量遠低于所有人的預期。“我們在理論中加入了一點對稱性——這是大統一理論的一個基本要素，但只占其中很小的一部分。”阿拉納赫說。他認為，我們目前隱約察覺到的這種新力量，可能是一種更大的對稱性的低能量殘余，因此它只有在非常高的能量下才會變得明顯。換句話說，我們可能觸碰到了大統一理論的邊緣。

希勒開創了對B異常現象的另一種解釋。這種解釋甚至更進了一步——它給出了輕子夸克的新概念。同樣，輕子夸克是這種新力量的載體。這種力可以將夸克直接轉化為輕子，包括電子、μ子和τ子——這也是這種粒子得名的原因。

與Z prime粒子模型不同，輕子夸克模型還可以用來解釋美夸克衰變為粲夸克時出現的另一種異常現象。在這一模型下要想驗證大統一理論，需要的能量量級更接近我們目前的實驗能力。

第四種顏色——紫色

伊西多里是輕子夸克模型的支持者。按照他的說法，與之前的大統一理論相比，這一模型代表了“研究范式的改變”。雖然之前的模型致力于尋找將三種力統一起來的對稱性，但輕子夸克模型卻可以將輕子與夸克統一起來，其關鍵思路與標準模型不同。在標準模型中，作用在夸克上的強力，具有類似于電荷的性質，我們稱之為“顏色”。顏色有三種，分別為紅色、綠色和藍色。輕子不具有顏色，因此不會受到強力的作用。然而，在輕子夸克模型中，存在第四種顏色，有時我們將其稱作紫色，它源于描述強力的一種更宏大的對稱性。這種更大的對稱性可以分解為通常的紅色、綠色和藍色的三色強力，由夸克攜帶。以及第四種顏色，由輕子攜帶。實際上，輕子只是一種不同顏色的夸克。

這是個令人振奮的想法——但現在的挑戰是，如何證明這樣的異常是真實的。伊西多里已經確信了這一觀點。“對我來說，證據已經非常可靠。”他這樣說道。但并非所有人都對此表示同意。盡管考慮到異常現象具有明顯的差異性，許多統計誤差現在似乎不太可能得到解釋，但目前的問題在于，無論是理論預言還是實驗測量，都仍然可能還有被忽視的偏差存在。

LHCb已經開始了新的測量工作，以確認并測試隱藏的實驗效應。2021年10月，我和劍橋大學的同事約翰?史密頓（John Smeaton）利用LHCb數據樣本中未開發的部分對希勒-克魯格比值進行了新的測量。測量顯示的效應與三月份時測得的結果非常相似。這強有力地支持了新力量存在的結論。

與此同時，對異常現象的研究熱潮喚醒了LHC的兩大野獸——ATLAS和CMS探測器。2012年，它們發現了希格斯玻色子，一種早前預測的標準模型粒子，它賦予了所有其他基本粒子以質量。現在，它們開始探測預言中的Z prime粒子和輕子夸克。在日本，Belle II實驗正在不斷積累數據，以期能夠獨立檢查LHCb的實驗結果。今年晚些時候，升級后的LHCb將以更快的速度收集數據，幫助我們尋找更罕見的衰變形式，以及其中可能存在的更明顯的異常現象。

如果這一全新圖景得到證實，我們對自然界本質的理解會發生革命性的轉變，這將揭示標準模型之下的更深層次的結構，甚至可能促使我們理解暗物質的本質，或是希格斯玻色子的奇特性質。這將是自標準模型建立以來基礎物理學領域中最偉大的發現。賭注很高，而游戲仍在繼續。

資料來源 New Scientist