能量突破標(biāo)準(zhǔn)模型 是新粒子or假信號(hào)？

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?yàn)榘雮€(gè)多世紀(jì)以來(lái)，粒子物理學(xué)家們精心繪制了一張擁有61個(gè)成員的“粒子譜”，目前實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的所有粒子都能在這張譜上找到對(duì)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(méi)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(cè)到它們的存在，并且對(duì)其性質(zhì)的估計(jì)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(hào)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(duì)撞機(jī)(LHC)中的緊湊型繆子螺旋磁場(chǎng)探測(cè)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(cè)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(guò)同行評(píng)議。

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

“粒子雨”中出現(xiàn)繆子對(duì)

28GeV的信號(hào)是如何被發(fā)現(xiàn)的?CERN的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行這次實(shí)驗(yàn)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(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，重粒子(如希格斯玻色子)通過(guò)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(cè)器“捕獲”?？茖W(xué)家們?cè)俳?jīng)過(guò)物理分析，推測(cè)出它們的起源。

本次實(shí)驗(yàn)，“粒子雨”中出現(xiàn)了成對(duì)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(guó)哈德斯菲爾德大學(xué)國(guó)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(duì)中的兩個(gè)粒子通常分別產(chǎn)生于不同事件，而非同時(shí)由一個(gè)粒子的衰變產(chǎn)生。假設(shè)繆子對(duì)中的兩個(gè)粒子源自同一個(gè)粒子，那么母粒子的質(zhì)量將分布在一個(gè)較大的范圍中。

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

據(jù)了解，本次實(shí)驗(yàn)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(lái)自數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲的概率僅為0.0013%。

但另一個(gè)費(fèi)解的事實(shí)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?yàn)楦吣芰繉?shí)驗(yàn)產(chǎn)生了更多的“背景粒子”，模糊了信號(hào)。

不在標(biāo)準(zhǔn)模型“粒子譜”內(nèi)

為何28GeV的信號(hào)令人興奮呢?因?yàn)槟芰繛?8GeV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(cè)之內(nèi)。

中科院高能物理所研究員阮曼奇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，標(biāo)準(zhǔn)模型中有61個(gè)粒子，每一個(gè)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(lái)的和實(shí)驗(yàn)吻合得最好的、最簡(jiǎn)潔的理論，精準(zhǔn)描述了對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)室中看到的幾乎所有現(xiàn)象。它非常詳盡，以致于沒(méi)有太多含混。”

標(biāo)準(zhǔn)模型的詳細(xì)程度好比一個(gè)賓館套間，其手冊(cè)上清楚說(shuō)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(shuō)明書上，你會(huì)感到驚訝。”

CMS探測(cè)到的28GeV能量的信號(hào)，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(shí)說(shuō)：“如果它是一個(gè)新的基本粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型就無(wú)法解釋。因?yàn)樗馁|(zhì)量比介子和重子高，又比我們希望探測(cè)到的高質(zhì)量基本粒子低很多。”

另一方面，目前的天文觀測(cè)和中微子實(shí)驗(yàn)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(huì)是一個(gè)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(gè)粒子全部被找到。目前，粒子物理學(xué)家還沒(méi)走出標(biāo)準(zhǔn)模型描繪的這間屋子。如果28GeV信號(hào)是真的，我們對(duì)世界的認(rèn)知或許能再邁出重要一步，這將令人興奮。”

實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要更多數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

張華橋也表示，目前CMS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還沒(méi)達(dá)到可以稱之為“發(fā)現(xiàn)”的級(jí)別。“通常實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著性為3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，可被視為實(shí)驗(yàn)證據(jù)或跡象，只有達(dá)到5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的時(shí)候才能被稱為‘發(fā)現(xiàn)’。”5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差也可能出錯(cuò)，但可能性很小，而目前關(guān)于28GeV的實(shí)驗(yàn)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(cè)試時(shí)，28GeV的信號(hào)實(shí)際上變?nèi)趿?。張華橋表示，CMS在質(zhì)心能量分別為8TeV和13TeV探測(cè)28GeV時(shí)，所得的結(jié)果并不一致，“能量升級(jí)后，28GeV的信號(hào)變?nèi)趿?rdquo;。

LHC的超環(huán)面儀器(ATLAS)的同類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能對(duì)CMS的此次結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。阮曼奇說(shuō)：“CMS和ATLAS是兩個(gè)獨(dú)立的粒子探測(cè)器，對(duì)后者的數(shù)據(jù)進(jìn)行相似分析將很有說(shuō)服力。”不過(guò)研究結(jié)果什么時(shí)候能對(duì)外公布，還無(wú)法確定。

從CERN探測(cè)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(shí)間。28GeV的驗(yàn)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(cè)，理論上已醞釀了很多年，然后經(jīng)過(guò)多年終于在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中找到了它。它的發(fā)現(xiàn)，在很多末態(tài)和不同實(shí)驗(yàn)中都得到驗(yàn)證。”而28GeV能量處的峰值僅僅是一個(gè)信號(hào)，距離獲得“新粒子”身份還有相當(dāng)大的差距。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)積累，證據(jù)才能逐漸顯現(xiàn)。“對(duì)28GeV信號(hào)的數(shù)據(jù)分析尚不足，ATLAS的交叉檢驗(yàn)結(jié)果非常重要。”在阮曼奇看來(lái)，這很可能是一個(gè)假信號(hào)。因?yàn)樵趯?duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中很容易有一些激動(dòng)人心的信號(hào)，但隨著時(shí)間推移，信號(hào)常又會(huì)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(shí)尚早。“至少需要再多一倍的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)后才能得出結(jié)論。”阮曼奇說(shuō)，究竟是重大發(fā)現(xiàn)還是統(tǒng)計(jì)漲落導(dǎo)致的假信號(hào)，我們拭目以待。(代小佩)

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