發(fā)現(xiàn)“新粒子”好比發(fā)現(xiàn)新大陸，出乎尋常又令人興奮。因為半個多世紀(jì)以來，粒子物理學(xué)家們精心繪制了一張擁有61個成員的“粒子譜”，目前實驗中發(fā)現(xiàn)的所有粒子都能在這張譜上找到對應(yīng)的身份。

比如，W玻色子、Z玻色子、膠子、頂夸克以及魅夸克還沒有被發(fā)現(xiàn)之前，理論物理學(xué)家們已根據(jù)“粒子譜”預(yù)測到它們的存在，并且對其性質(zhì)的估計也非常精確。這張神奇的“粒子譜”就是標(biāo)準(zhǔn)模型，被稱為迄今為止在粒子層面理解自然的最佳理論。

近日，有新的信號似乎要打破這一標(biāo)準(zhǔn)模型。歐洲核子研究中心(CERN)的科學(xué)家宣布，大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)中的緊湊型繆子螺旋磁場探測器(CMS)可能發(fā)現(xiàn)了一種全新粒子，它的能量大約是28GeV(10億電子伏特)，不足希格斯玻色子(125GeV)的四分之一。而28GeV的能量值與現(xiàn)有理論的預(yù)測都不吻合。相關(guān)研究論文作為預(yù)印本發(fā)表在ArXiv上，還未通過同行評議。

物理學(xué)家們表示，若是新粒子，會非常令人振奮。但目前，他們更加強(qiáng)調(diào)要謹(jǐn)慎對待這個信號。

“粒子雨”中出現(xiàn)繆子對

28GeV的信號是如何被發(fā)現(xiàn)的?CERN的研究團(tuán)隊進(jìn)行這次實驗原本是為尋找另一種與希格斯玻色子相似的粒子。在粒子對撞實驗中，重粒子(如希格斯玻色子)通過粒子碰撞產(chǎn)生后立即發(fā)生衰變，產(chǎn)生暴雨般的更輕、更小的粒子(比如光子或電子)，由于這些粒子比重粒子穩(wěn)定，所以能被探測器“捕獲”。科學(xué)家們再經(jīng)過物理分析，推測出它們的起源。

本次實驗，“粒子雨”中出現(xiàn)了成對的繆子，它們與電子相似但更重。研究人員分析了這些繆子的能量和方向。據(jù)英國哈德斯菲爾德大學(xué)國際加速器應(yīng)用研究所主管、研究教授羅杰·巴洛分析，繆子對中的兩個粒子通常分別產(chǎn)生于不同事件，而非同時由一個粒子的衰變產(chǎn)生。假設(shè)繆子對中的兩個粒子源自同一個粒子，那么母粒子的質(zhì)量將分布在一個較大的范圍中。

但這次，母粒子的質(zhì)量分布在28GeV處的一個峰值。也就是說，也許存在一種能量為28GeV的粒子，釋放了這些繆子對。

據(jù)了解，本次實驗結(jié)果的顯著性為4.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。巴洛分析稱，這意味著峰值來自數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲的概率僅為0.0013%。

但另一個費解的事實是，當(dāng)研究人員將能量加倍后，數(shù)據(jù)顯著性掉到了2.9倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。論文作者尼基·特克認(rèn)為，這可能是因為高能量實驗產(chǎn)生了更多的“背景粒子”，模糊了信號。

不在標(biāo)準(zhǔn)模型“粒子譜”內(nèi)

為何28GeV的信號令人興奮呢?因為能量為28GeV的新粒子不在標(biāo)準(zhǔn)模型里，甚至不在其他主流理論的預(yù)測之內(nèi)。

中科院高能物理所研究員阮曼奇告訴科技日報記者，標(biāo)準(zhǔn)模型中有61個粒子，每一個粒子的種類、性質(zhì)、量子數(shù)、質(zhì)量大小、相互之間的耦合等基本上都是確定的。“標(biāo)準(zhǔn)模型是粒子物理學(xué)家摸索出來的和實驗吻合得最好的、最簡潔的理論，精準(zhǔn)描述了對撞機(jī)實驗室中看到的幾乎所有現(xiàn)象。它非常詳盡，以致于沒有太多含混。”

標(biāo)準(zhǔn)模型的詳細(xì)程度好比一個賓館套間，其手冊上清楚說明了每一件物品的名稱、種類、數(shù)量、位置等，從而使客人非常舒服地住在里面。“某天，你走進(jìn)房間發(fā)現(xiàn)客廳多了一架鋼琴，而它并不在說明書上，你會感到驚訝。”

CMS探測到的28GeV能量的信號，好比這架突然闖入的鋼琴，打破了粒子物理學(xué)家的舒適區(qū)。中科院高能物理研究所研究員張華橋承擔(dān)著一部分CMS研究工作，他在接受記者采訪時說：“如果它是一個新的基本粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型就無法解釋。因為它的質(zhì)量比介子和重子高，又比我們希望探測到的高質(zhì)量基本粒子低很多。”

另一方面，目前的天文觀測和中微子實驗表明，標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)非終極理論。因而，突破標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子將會是一個重大發(fā)現(xiàn)。

“2012年，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)宣告了標(biāo)準(zhǔn)模型中61個粒子全部被找到。目前，粒子物理學(xué)家還沒走出標(biāo)準(zhǔn)模型描繪的這間屋子。如果28GeV信號是真的，我們對世界的認(rèn)知或許能再邁出重要一步，這將令人興奮。”

實驗結(jié)果需要更多數(shù)據(jù)檢驗

張華橋也表示，目前CMS的實驗結(jié)果還沒達(dá)到可以稱之為“發(fā)現(xiàn)”的級別。“通常實驗結(jié)果的顯著性為3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差時，可被視為實驗證據(jù)或跡象，只有達(dá)到5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的時候才能被稱為‘發(fā)現(xiàn)’。”5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差也可能出錯，但可能性很小，而目前關(guān)于28GeV的實驗結(jié)果顯著性是4.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。

此外，在能量加倍后進(jìn)行測試時，28GeV的信號實際上變?nèi)趿恕埲A橋表示，CMS在質(zhì)心能量分別為8TeV和13TeV探測28GeV時，所得的結(jié)果并不一致，“能量升級后，28GeV的信號變?nèi)趿?rdquo;。

LHC的超環(huán)面儀器(ATLAS)的同類實驗數(shù)據(jù)能對CMS的此次結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗。阮曼奇說：“CMS和ATLAS是兩個獨立的粒子探測器，對后者的數(shù)據(jù)進(jìn)行相似分析將很有說服力。”不過研究結(jié)果什么時候能對外公布，還無法確定。

從CERN探測器的開機(jī)運(yùn)行到希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，大概花了4年時間。28GeV的驗證是否也需要這么久呢?張華橋認(rèn)為，二者還不能相提并論。“希格斯玻色子的預(yù)測，理論上已醞釀了很多年，然后經(jīng)過多年終于在對撞機(jī)實驗中找到了它。它的發(fā)現(xiàn)，在很多末態(tài)和不同實驗中都得到驗證。”而28GeV能量處的峰值僅僅是一個信號，距離獲得“新粒子”身份還有相當(dāng)大的差距。

經(jīng)過數(shù)據(jù)積累，證據(jù)才能逐漸顯現(xiàn)。“對28GeV信號的數(shù)據(jù)分析尚不足，ATLAS的交叉檢驗結(jié)果非常重要。”在阮曼奇看來，這很可能是一個假信號。因為在對撞機(jī)實驗中很容易有一些激動人心的信號，但隨著時間推移，信號常又會慢慢變?nèi)酢?/p>

阮曼奇反復(fù)強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)在討論28GeV的意義為時尚早。“至少需要再多一倍的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗后才能得出結(jié)論。”阮曼奇說，究竟是重大發(fā)現(xiàn)還是統(tǒng)計漲落導(dǎo)致的假信號，我們拭目以待。

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