新粒子與新物理學

苗千

引力波的發(fā)現又一次驗證了廣義相對論，這個世紀級的發(fā)現固然令宇宙學家感到安穩(wěn)，而另一方面，物理學家們又急于突破一個世紀以來廣義相對論和量子理論的約束。

如今物理學并不缺少各式各樣的理論，缺少的是實驗證實。在宇宙空間，在地表，在地下，實驗物理學家們一次次地驗證著早已成型且完整的理論，這讓很多人感到束縛，甚至是絕望。正是因為如此，2015年12月15日，從歐洲核子中心（CERN）傳出的消息已經開始讓很多人興奮不已——盡管這則消息還遠算不上是一個新發(fā)現，但已經讓物理學家看到了新物理學的希望。

2015年12月，歐洲核子中心大型強子對撞機（LHC）兩個不同的探測器ATLAS和CMS分別探測到了一個此前沒有人預料到的信號，物理學家們觀測到了比理論計算結果更多的高能量光子。實際上，這個信號并不算非常明顯：兩束以接近光速運行的質子相撞，ATLAS探測器發(fā)現，在質子對撞產生的殘余中，相比于根據標準模型的計算，多出了40對高能量光子。物理學家們估計，這些在質子對撞過程中產生的“多出來”的高能量光子，可能是由一種人們還沒有發(fā)現過的粒子衰變而成，重要的是，這種尚未被驗證的不帶電粒子比此前發(fā)現的希格斯玻色子更重，是頂夸克質量的4倍多，目前也沒有任何理論框架可以把這種粒子囊括其中。引力，加上標準模型所描述的三種基本作用是人類目前認識到的四種基本相互作用，可以解釋目前所觀測到的大部分物理現象，但是如果存在一種任何物理模型都無法描述的粒子——有些物理學家已經急不可耐地要開始探索“第五種”相互作用了——如果這種粒子真的存在的話。

根據歐洲核子中心CMS實驗項目的一位物理學家統(tǒng)計，自從2015年12月傳出了可能存在一種新粒子的消息之后，目前已經有285篇相關論文發(fā)表在網絡上，聲明可以解釋這種粒子的存在，理論物理學家對于新理論的渴求程度可見一斑。問題在于，目前實驗物理學家們只是發(fā)現了一些高能量的光子，新粒子的存在只是一種尚未被確認的可能性而已，與被確定是一個粒子物理學的“發(fā)現”還有很大的距離。

倫敦大學國王學院的物理學家約翰·埃利斯（John Ellis）認為，正是因為沒有人曾經預測過這個信號的存在，它才讓人感到如此激動，而且這可能只是揭示出了一種新的物質形式的冰山一角。這種粒子可能類似于希格斯玻色子，但是它的質量是希格斯玻色子的6倍。

CMS合作項目是在尋找引力子的過程中發(fā)現了這個不同尋常的信號，物理學家們分析，這個信號來自引力子的可能性不大，但是種種跡象顯示，這個粒子可能是一個自旋為2的玻色子。人類上一次觀測到基本粒子的行為不符合標準模型的描述還是觀測到中微子振蕩現象時，物理學家不得不對標準模型進行修改，使中微子可以具有質量。目前根據信號顯示可能存在的粒子，質量遠大于希格斯玻色子（希格斯玻色子的質量大約為125千億電子伏），它有可能是希格斯玻色子的“表親”。不僅如此，一旦確認這種粒子確實存在，那么很有可能它并不是作為一個特例單獨存在，很可能還有與它相似的一類粒子也將被相繼發(fā)現，屆時該如何把這些粒子納入一個統(tǒng)一的系統(tǒng)內，標準模型應該如何修改，自然界中到底是否存在著第五種相互作用，都會是理論物理學家和實驗物理學家長期關注的課題。

相比三個多月以前，現在這個引人注意的信號是來自一個尚未為人所知的粒子的可能性更大了一些。2016年3月17日在意大利拉特烏伊萊舉行的一次物理學會議上，科學家們對于歐洲核子中心的對撞數據進行了新的分析，這次的數據比去年12月進行分析的數據多出22%，結果顯示，新粒子存在的可能性從1.2 Sigma上升到了1.6 Sigma，但是距離正式成為一個粒子物理學發(fā)現的5 Sigma的標準仍然很遙遠（5 Sigma相當于這個粒子有99.99997%的概率真實存在）。

幸運的是科學家們不必為此等待太久。大型強子對撞機在去年冬天休眠了一段時間之后，將在2016年4月重新開始進行更高能量的粒子對撞實驗，物理學家們將很快就可以獲得最新的粒子對撞實驗數據，在今年6月，最遲不超過今年8月，分析結果將會正式確認或否認這種奇異粒子的存在。除了歐洲核子中心的大型強子對撞機之外，其他實驗室也會進行質子對撞實驗——如果這種奇異的粒子真實存在，那么它們除了衰變成兩個總能量為750千億電子伏的光子對之外，還有可能衰變成其他物質。

一旦這個粒子的存在被證實，將是自上世紀70年代發(fā)現tau輕子以及夸克以來粒子物理學取得的最大突破。只有對數據反復加以驗證才能確定這種粒子是否存在。2015年，在大型強子對撞機內部總共進行了超過20萬億次的質子對撞，物理學家的工作量可想而知。而在2016年，必將有更多的質子在粒子對撞機內進行碰撞以提供更多的數據進行分析。

從建立標準模型到通過實驗發(fā)現其中所有的基本粒子，人類花了50年的時間來完成這個迄今為止最成功的描述微觀世界的理論框架，其頂點正是在2012年發(fā)現希格斯玻色子。如今幾年過去，粒子物理學家們早已不再滿足于標準模型的束縛，人們已經做好準備發(fā)現標準模型之外的粒子，因為標準模型無法解釋人們觀察到的所有現象，暗物質，暗能量，包括為什么目前觀測到的物質遠多于反物質，答案都在標準模型之外。

理論上說，人類的一些理論框架可以囊括目前所有的自然現象，正是因為如此，其中最引人矚目的超對稱理論在幾十年來一直被寄予厚望。超對稱理論預測了比目前觀測到的粒子更重的一組“超粒子”，但是隨著大型強子對撞機對撞能量的不斷提升，已經開始逼近超對稱理論所預測的超粒子的能量范圍，但超粒子始終未曾出現，一些研究超對稱的理論物理學家們很可能不得不放棄這個優(yōu)美的理論。此時，一個神秘粒子的出現也就顯得更加重要——在它的存在和身份尚未確定之際，人們難免不浮想聯翩：這個尚未被確定的粒子是否與暗能量、暗物質相關，是否揭示了宇宙中更多的維度，它又將把理論物理學家們引向何方？

歐洲核子中心大型強子對撞機ATLAS探測器