大型強子對撞機發現了新粒子？

2016-09-21 08:48:04謝懿

飛碟探索 2016年9期

謝懿

在2015年12月大型強子對撞機的對撞實驗中，兩組獨立的探測器發現了一種疑似新粒子的存在，它比希格斯玻色子重6倍。這種粒子用現有的模型無法解釋。這一重大發現可能會幫助科學家繼續發現一整組新型粒子，甚至發現第五種基本力。不過，現在的成果并不足以證實這種粒子真正存在。科學家將實施更多的探測實驗。

大型強子對撞機的兩大探測器超環面儀器（ATLAS）和緊湊μ子線圈（CMS）是通過計算衰變成光子的粒子來發現新物理現象的。測量光子是探測新物理現象的較好途徑，因為光子比較容易探測，而且物理學家大概知道預期的結果。當粒子衰變成光子時，釋放出的能量相當于它們的質量乘以光速的平方。

歐洲核子研究中心的理論粒子物理學家吉安·朱迪切說：“我們談論的并不是去驗證一個既有的理論，而是打開一扇進入另一個未知世界的大門。”

當然，前提是它真的存在。目前，我們只是從大型強子對撞機的碰撞碎片中得到了一些線索。但是，如果這些線索在今后的幾周或幾個月的時間里逐漸清晰的話，就有可能是一個重磅炸彈。它也許會成為2016年最重大的發現，為對大自然的運轉方式的研究揭開新的篇章。

這個希望分別來自大型強子對撞機的兩個探測器最新獲得的數據。它們各自獨立地指出，似乎存在一種粒子，它的質量甚至讓2012年7月發現的希格斯玻色子相形見絀。

希格斯玻色子是一個里程碑，但也標志著前進道路的終點。它是粒子物理學標準模型預言的粒子中最后一個被發現的。迄今，標準模型的復雜方程可以在極高的精度上解釋每一個實驗結果，解釋了自然界三種基本作用力——電磁力、弱核力和強核力——的工作機制。但很明顯的是，標準模型并不完整。它無法囊括自然界的第四種力——引力，也無法解釋希格斯玻色子和其他16種粒子具有的特性，更不用提解釋主宰宇宙物質成分的暗物質了。

要超越標準模型，就需要找到一些全新的東西。

因此，大型強子對撞機發現的這個線索讓人興奮，這是它在設計的最大能標上工作的第一年。英國倫敦國王學院的理論家約翰·埃利斯說，自從2011年意大利物理學家宣布中微子超光速以來，他還沒有見過類似的東西。

中微子超光速最終被證明是錯誤地連接實驗設備的光纜所致。這樣的差錯不太可能出現在大型強子對撞機上，但被尚無定論的數據無情地戲弄確實是科學家必須提防的。

通過篩查質子碰撞產生的碎片來確定是否有意想不到的事情發生，是一項極其復雜而瑣碎的工作。只有在很長一段時間里很努力地研究數據，你才有可能看到你想要的結果。但是，只有重復觀測到同一件事情很多次，才能確定它的真實性。

拋3次硬幣，結果都是正面朝上，你會把它歸于概率;連續拋5次都是如此，你可能會開始懷疑這枚硬幣是不是被做過手腳。要正式宣布一項發現，粒子物理學家的“黃金標準”是這一現象為巧合的概率不得超過1/3500000，這個值相當于連續拋硬幣21次正面朝上。

大型強子對撞機發現的異常還沒有達到這個地步。這個異常出現在能產生兩個高能光子的碰撞中。這種碰撞一般很少會產生高能光子，原因純粹是這會消耗更多的能量。事實上，隨著能量的升高，ATLAS和CMS確實看到由其他已知過程產生的“背景”事件的數目在下降。

但是，當產生的兩個光子的總能量達到750GeV（1GeV=10億電子伏特）時，這兩個探測器發現事件數有微微的上揚。這暗示了什么？粒子都有質量，當它們衰變時，其質量被轉換成衰變產物的質量和能量。發現總能量750GeV的雙光子數目過多，意味著它們是一種未知粒子的衰變產物，該粒子的質量與這個能量相當。

由計算機繪制的大型強子對撞機CMS探測器中質子--質子碰撞產生的粒子碎片軌跡圖。左下和右上的綠色直線為發射出的雙光子

衰變成兩個光子是非常“干凈”的過程——光子比其他粒子更易于探測，而且預期的背景事件率是已知的。在125GeV處出現的類似的輕微上揚，最終被證明是希格斯玻色子暗示存在的第一條線索。這一最新的異常代表著迄今仍有待發現的質量最大的粒子，粗略地估算，其質量是希格斯玻色子的6倍，是鉛原子的幾乎4倍。

這個信號與希格斯玻色子被確認發現之前6個月出現的異常極其相似。雖然現在還無法計算出一個確切的數字，但綜合ATLAS和CMS2015年12月公布的最新結果，這一異常統計漲落的概率約為幾百分之一。這相當于連續拋硬幣9次或10次都是正面，雖然足以起疑，但還欠說服力。

即便如此，星星之火已經燎原。就在ATLAS和CMS公布這一異常之后不到一周，理論物理學家就在arXiv服務器上發布了100多個可能的解釋，而且這個數字至今仍在暴增。在arXiv上，物理學家可以在正式發表前發布自己的論文和數據。

美國加利福尼亞大學伯克利分校的野村保教是最早發表相關文章的人之一。“一般我是不會盯上類似的異常現象的，因為它們絕大多數其實亂七八糟，但這一個相對干凈。”他說，“一定程度上，我們有點絕望，因為我們有很多問題需要解決，卻沒有數據。”

關于這個假想中的粒子，科學家已經知道了一些事情。它不帶電荷，自旋——量子力學特性——的范圍也受到了限定。光子的自旋為1，任何衰變成兩個光子的粒子其自旋不可能為1。此外，它必定還具有整數自旋，因此該粒子的自旋可能為2。于是，一些理論物理學家認為，它可能是一種引力子——一種假想的傳遞引力的粒子，其自旋為2。這將是超越標準模型，把引力與其他作用力統一到一起的第一條線索。

或者，和希格斯玻色子一樣，該粒子的自旋為0。事實上，另一種理論認為它是另一種質量更大的希格斯玻色子。

但是，野村保教的分析顯示，如果它的自旋確實為0，那它就不會是一種基本粒子，因為如果它是的話，量子力學變幻莫測的奇特行為會在它周圍的真空中產生出大量其他短命的基本粒子，使得它的質量飆升到遠遠高于現在的數值。

相反，野村保教認為，它是一種復合粒子，類似于原子核內的質子和中子。它們是被強核力束縛在一起的夸克。另一方面，這個神秘粒子將是與僅在高能下才會發生的全新的第5種基本作用力有關的第一個粒子。野村保教及其合作者用不同的方法測試了這個猜想，每一次它都經受住了考驗。這聽起來有些牽強，但歷史總是不斷地重復。20世紀五六十年代，發現粒子是由夸克組成的使得物理學家提出了強核力。

其他的一些理論家也會對他們鐘愛的理論做同樣的褒獎。埃利斯敦促大家保持謹慎。他說，考慮到我們的無知程度，這一粒子是基本粒子還是復合粒子目前都可能，“我們能排除的情況不是很多。該粒子自旋允許的范圍還是很大的”。

奇怪的是，唯一可以排除的大概恰恰是許多粒子理論家期望的超對稱粒子。超對稱理論提出，標準模型中的每一種已知粒子都存在一個質量更大的伙伴粒子。大型強子對撞機至今還沒有發現任何有關超對稱的證據。即便是這個我們所知甚少的最新粒子，也不對應于最簡單的超對稱模型中的任何東西。

更奇特的是，質量如此之大的粒子應該衰變成兩個幾乎一樣的光子，即把它的質能對半開，但它絲毫沒有這些跡象。埃利斯說：“如果事情真是這樣，背后肯定還有其他原因。這會進一步要求有新的粒子存在。”

對朱迪切來說，沒有現成的理論模型能夠解釋這一粒子的特性，倒是讓一切都變得更加耐人尋味。他說：“這才是故事里最精彩的部分。”他直覺上贊同野村保教的觀點，即該粒子預示還存在一系列通過未知的第5種基本作用力來發生相互作用的粒子。如果是這樣的話，隨著ATLAS和CMS探測數據的累積，在更大的質量上，我們應該會看到更多這樣的事件。

這還不是唯一的驚喜。在另一個探測裝置LHCb中，研究人員也看到一些異常現象，暗示可能存在未知的粒子。不過，這兩個發現之間的關系目前仍不清楚。

對CMS的實驗物理學家吉姆·奧爾森來說，首要任務是獲得更多的數據。雖然試圖保持冷靜的頭腦，但他同樣感到興奮。如果ATLAS和CMS發現的異常在大型強子對撞機進行的高能粒子對撞實驗中繼續出現，那么它“絕對是件大事”。他說：“這是一個全新的粒子，也是存在于標準模型之外的第一種粒子。”

又或許，就像之前常常發生的那樣，所有的這些希望都會破滅。最近一次的類似事情發生在2014年，當時科學家在CMS和ATLAS的探測數據中發現，會產生粒子噴流的低能碰撞中存在可能的異常。這一現象暗示存在一種質量約為2000GeV的粒子，其統計可信度也和現在的新異常相當。理論物理學家緊接著就提出了各種解釋，其中最流行的是一種傳遞新作用力的粒子。然而，在

對2015年的數據進行分析之后，一切都銷聲匿跡了。

“統計總是會和我們玩游戲，所以我只能等待更多的數據。”CMS的物理學家帕特里克·雅諾說，“當物理學家在大型強子對撞機的數據中尋找各種各樣的現象時，總能找到不少類似的異常。”ATLAS的物理學家也強調了相同的觀點。為了尋找某些信號，對ATLAS的數據分析總能在其背景信號中發現一些純統計上的波動。

是立還是破也許很快就會見分曉。2015年，大型強子對撞機并沒有如預期般產出大量數據，CMS探測器中用來彎曲粒子路徑的巨型磁鐵存在問題，這也導致并非所有的數據都可以利用。如果在數據分析中能夠考慮到磁鐵缺失的因素，那么結果也許會更加清晰。否則，我們只能耐心地等待從2016年4月起開始的對撞實驗發布第一批數據。

粒子物理學家都希望2016年會帶他們回到令人無比興奮的20世紀60年代，當時我們對物質組成的認識因夸克和強核力的發現而發生了翻天覆地的改變。不過，當務之急還是要完成收集更多數據這一艱巨的任務，平衡事實和做出發現之間的沖動。在一個大城市中，當你遇到一個熟人時，可能會驚訝于這一巧合，卻忘記了在其他9 9次的時間里，你誰也沒遇到。人類的頭腦總是傾向于尋找現象背后的原因，即使有可能壓根兒就沒有。不過，與此同時你也會感到興奮，否則科學就無法向前推進了。