LHCb觀(guān)測(cè)到底夸克很罕見(jiàn)的衰變，導(dǎo)致一對(duì)正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生（圖片來(lái)源：CERN）

2013年，歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，補(bǔ)上了標(biāo)準(zhǔn)模型缺失的最后一塊拼圖。至今，標(biāo)準(zhǔn)模型仍被認(rèn)為是目前粒子物理學(xué)中最好的理論模型。但LHCb合作組織在預(yù)印本網(wǎng)站上公開(kāi)的最新論文顯示，他們?cè)谫|(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，可能發(fā)現(xiàn)了違背標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。目前，這些數(shù)據(jù)的可信度還不足以宣稱(chēng)是“可靠的發(fā)現(xiàn)”。但如果結(jié)論最終得到證實(shí)，就可能意味著存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的“新物理”。

標(biāo)準(zhǔn)模型是目前粒子物理學(xué)中最好的理論模型，它描述了所有已知的基本粒子，以及除引力之外的其他三種基本相互作用力。但物理學(xué)家從來(lái)沒(méi)有將其視為不可觸動(dòng)的天條，而是在不斷地修正和完善它。不過(guò)即便如此，依然存在很多標(biāo)準(zhǔn)模型難以解釋的事物，暗物質(zhì)、暗能量、宇宙早期物質(zhì)與反物質(zhì)的不平衡等都是如此。甚至，物理學(xué)家多年來(lái)還一直在主動(dòng)尋找“新物理”——標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子和基本相互作用力。

探索過(guò)程中，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）就是物理學(xué)家手上最重要的工具之一。這個(gè)巨型機(jī)器埋藏在50～125米深的地下，其27公里的環(huán)形軌道橫跨了法國(guó)和瑞士。質(zhì)子在超導(dǎo)磁鐵包圍的真空管道中，被加速到接近光速后相互對(duì)撞。而物理學(xué)家就在質(zhì)子對(duì)撞后產(chǎn)生的“粒子塵埃”中，不斷尋找著可能存在的“新物理”。現(xiàn)在，在對(duì)近十年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，科學(xué)家這次可能發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)之外的現(xiàn)象。

LHCb是LHC四個(gè)大型粒子探測(cè)器之一 圖片來(lái)源：CERN

來(lái)自帝國(guó)理工學(xué)院物理系的米特舍·帕特爾（Mitesh Patel）博士是本次研究的負(fù)責(zé)人之一，他表示：“這項(xiàng)結(jié)果讓我心跳加速！盡管現(xiàn)在還無(wú)法判斷這是否只是標(biāo)準(zhǔn)模型的衍生物，但這仍然是我在物理學(xué)領(lǐng)域這20年來(lái)最令人興奮的發(fā)現(xiàn)。為了這一結(jié)果，我們做了非常多的努力。”

普適性的缺失

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，不同的帶電輕子，如電子、μ子、τ子，除依次遞增的質(zhì)量外，其他屬性，如電荷、自旋以及電磁/弱力場(chǎng)的耦合系數(shù)等都應(yīng)完全相同，這被稱(chēng)為輕子味普適性（lepton flavour universality，LFU）。以往實(shí)驗(yàn)表明，大部分粒子的衰變都符合LFU，但物理學(xué)家一直在尋找是否有違反LFU的現(xiàn)象。

通過(guò)LHC的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家有機(jī)會(huì)觀(guān)測(cè)B介子的衰變。這個(gè)衰變底層反應(yīng)實(shí)際上是底夸克（beauty quark）衰變?yōu)橐粋€(gè)奇夸克（strange quark）和一對(duì)正負(fù)輕子對(duì)。對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的質(zhì)心能量分別為7、8和13 TeV，衰變能標(biāo)在數(shù)個(gè)GeV量級(jí)左右，而μ子和電子的質(zhì)量也不過(guò)0.5 MeV和105 MeV，在整個(gè)過(guò)程中顯得無(wú)足輕重。由于μ子和電子的其他參數(shù)完全相同，那么根據(jù)LFU，衰變產(chǎn)生的一對(duì)正負(fù)輕子分別是μ子和電子的概率也應(yīng)該幾乎完全相同。

因?yàn)檫@個(gè)衰變本身只有百萬(wàn)分之一的發(fā)生概率，并且標(biāo)準(zhǔn)模型只允許這種衰變以特定的形式發(fā)生。只有不符合LFU的“新物理”才能對(duì)衰變過(guò)程產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模型之外的影響，或是徹底改變衰變的形式。不管怎樣，一旦LFU被違反，那么用來(lái)描述μ子和電子產(chǎn)生率比例的RK會(huì)迅速偏離1。所以這個(gè)衰變是尋找反LFU現(xiàn)象的絕佳場(chǎng)所。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程不過(guò)是極端物理過(guò)程一瞬，底夸克這種衰變發(fā)生的低概率也讓探測(cè)離不開(kāi)大量數(shù)據(jù)的積累，物理學(xué)家需要重型設(shè)備。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）是LHC四臺(tái)大型粒子探測(cè)器中的一臺(tái)。驗(yàn)證LFU，或者說(shuō)，尋找LFU的破綻，是它的使命之一。分析了2011、2012和2015-2018年的對(duì)撞數(shù)據(jù)之后，LHCb合作組織給出了RK=0.846，上下標(biāo)準(zhǔn)差分別為+0.044和-0.041的結(jié)論，這個(gè)偏離1的結(jié)論意味著LFU有可能被違背。

曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家，同時(shí)也是LHCb小組發(fā)言人的克里斯·帕克斯（Chris Parkes）教授表示：“我們?cè)疽詾锽介子會(huì)以相同的可能性衰變?yōu)殡娮雍挺套?。但是以現(xiàn)在的數(shù)據(jù)來(lái)看，事實(shí)并非如此?？紤]到可能存在的統(tǒng)計(jì)誤差，目前還無(wú)法確定最終結(jié)論?！?/span>

改寫(xiě)教科書(shū)？

標(biāo)準(zhǔn)模型在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)不斷完善，它描述了所有已知的基本粒子，和除引力之外的其他三種基本相互作用力。但它當(dāng)然也不是完美的理論框架，它無(wú)法解釋目前物理學(xué)中依然存在的謎團(tuán)。

標(biāo)準(zhǔn)模型（圖片來(lái)源：Wikipedia）

邁克爾·麥卡恩（Michael McCann）是帝國(guó)理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)中的一員，他表示：“我們知道，自然界中一定存在尚未被發(fā)現(xiàn)的新粒子，因?yàn)楝F(xiàn)在仍有很多無(wú)法被現(xiàn)有理論解釋的謎團(tuán)。例如，我們不知道（除正常物質(zhì)外剩下的）95%的宇宙的構(gòu)成，以及為什么物質(zhì)與反物質(zhì)的含量差距如此之大。我們也不知道未知粒子可能存在怎樣的性質(zhì)?！?/span>

帝國(guó)理工學(xué)院學(xué)生丹尼爾·莫伊茲（Daniel Moise）在會(huì)議上首次公布了該觀(guān)測(cè)結(jié)果。他表示：“這個(gè)結(jié)果可能暗示一種全新粒子或全新作用力的存在。如果后續(xù)研究證實(shí)了這一點(diǎn)，那么這將深刻影響人類(lèi)對(duì)自然界的理解?！边`反LFU暗示著可能存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理，例如存在于夸克和輕子之間的第五種基本相互作用。

如果這些結(jié)論是正確的，我們或許能用Z-primes或者輕夸克（leptoquarks）進(jìn)行解釋。Z-primes和輕夸克是兩種假想的粒子，它們可以對(duì)其他粒子產(chǎn)生新的相互作用力。顯然，不管是標(biāo)準(zhǔn)模型之外的基本粒子，還是第五種基本相互作用，都將是改寫(xiě)物理教科書(shū)的重要成果。

五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的堅(jiān)持

不過(guò)這一切都建立在底夸克衰變確實(shí)違反了LFU的基礎(chǔ)之上，而目前科學(xué)家還不能下定這個(gè)結(jié)論。雖然給出的結(jié)論是RK=0.846，但它仍然擁有+0.044和-0.041的誤差。也就是說(shuō)，目前的實(shí)驗(yàn)的置信度只有3.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。距離物理學(xué)金標(biāo)準(zhǔn)——5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差還有一定距離，這也正是LHCb不敢宣布他們證實(shí)了LFU被違反的原因。

帕克斯表示：“這些數(shù)據(jù)的確非常有趣。但考慮到曾有置信度為7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)最終被證實(shí)為統(tǒng)計(jì)學(xué)巧合，我們需要謹(jǐn)慎一些。實(shí)際上，這種事情經(jīng)常發(fā)生。”

3.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差意味著，如果實(shí)際上LFU并沒(méi)有被違反，那么會(huì)有約千分之一的概率會(huì)產(chǎn)生RK=0.846的測(cè)量結(jié)果。這也意味著，約有千分之一的概率，LFU沒(méi)有被違反。而到了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的情形，就只剩下350萬(wàn)分之一的概率。這5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的置信度，是多年來(lái)粒子物理學(xué)家堅(jiān)持的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)操守。

目前實(shí)驗(yàn)僅有3.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的置信度，不足以聲稱(chēng)是一個(gè)可靠的發(fā)現(xiàn)（圖片來(lái)源：arXiv:2103.11769）

其實(shí)早在2019年，已經(jīng)尋找到了一部分違反LFU的證據(jù)，當(dāng)時(shí)的置信度為2.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。而這次公開(kāi)的研究成果，主要是數(shù)據(jù)上的更新，分析方法并沒(méi)有很大的改變。帕克斯表示：“這將意味著我們發(fā)現(xiàn)了一些標(biāo)準(zhǔn)模型尚未定義的粒子或力。盡管以目前的數(shù)據(jù)來(lái)看，還無(wú)法作出最終結(jié)論，但是結(jié)合以往對(duì)B介子的分析結(jié)果來(lái)看，這很有可能是真的。”

目前，LHC和世界各地的科學(xué)家都將繼續(xù)收集并分析數(shù)據(jù)，以確認(rèn)事實(shí)的真相。

編譯：王昱、洪藝瑞

審校：吳非

參考鏈接：

https:///abs/2103.11769

http://lhcb-public.web.

https:///news/2021-03-result-lhcb-theory-physics.html

https://www./science/2021/mar/23/large-hadron-collider-scientists-particle-physics