大型强子对撞机发现了新粒子？

2016-09-21 08:48谢懿

飞碟探索 2016年9期

谢懿

在2015年12月大型强子对撞机的对撞实验中，两组独立的探测器发现了一种疑似新粒子的存在，它比希格斯玻色子重6倍。这种粒子用现有的模型无法解释。这一重大发现可能会帮助科学家继续发现一整组新型粒子，甚至发现第五种基本力。不过，现在的成果并不足以证实这种粒子真正存在。科学家将实施更多的探测实验。

大型强子对撞机的两大探测器超环面仪器（ATLAS）和紧凑μ子线圈（CMS）是通过计算衰变成光子的粒子来发现新物理现象的。测量光子是探测新物理现象的较好途径，因为光子比较容易探测，而且物理学家大概知道预期的结果。当粒子衰变成光子时，释放出的能量相当于它们的质量乘以光速的平方。

欧洲核子研究中心的理论粒子物理学家吉安·朱迪切说：“我们谈论的并不是去验证一个既有的理论，而是打开一扇进入另一个未知世界的大门。”

当然，前提是它真的存在。目前，我们只是从大型强子对撞机的碰撞碎片中得到了一些线索。但是，如果这些线索在今后的几周或几个月的时间里逐渐清晰的话，就有可能是一个重磅炸弹。它也许会成为2016年最重大的发现，为对大自然的运转方式的研究揭开新的篇章。

这个希望分别来自大型强子对撞机的两个探测器最新获得的数据。它们各自独立地指出，似乎存在一种粒子，它的质量甚至让2012年7月发现的希格斯玻色子相形见绌。

希格斯玻色子是一个里程碑，但也标志着前进道路的终点。它是粒子物理学标准模型预言的粒子中最后一个被发现的。迄今，标准模型的复杂方程可以在极高的精度上解释每一个实验结果，解释了自然界三种基本作用力——电磁力、弱核力和强核力——的工作机制。但很明显的是，标准模型并不完整。它无法囊括自然界的第四种力——引力，也无法解释希格斯玻色子和其他16种粒子具有的特性，更不用提解释主宰宇宙物质成分的暗物质了。

要超越标准模型，就需要找到一些全新的东西。

因此，大型强子对撞机发现的这个线索让人兴奋，这是它在设计的最大能标上工作的第一年。英国伦敦国王学院的理论家约翰·埃利斯说，自从2011年意大利物理学家宣布中微子超光速以来，他还没有见过类似的东西。

中微子超光速最终被证明是错误地连接实验设备的光缆所致。这样的差错不太可能出现在大型强子对撞机上，但被尚无定论的数据无情地戏弄确实是科学家必须提防的。

通过筛查质子碰撞产生的碎片来确定是否有意想不到的事情发生，是一项极其复杂而琐碎的工作。只有在很长一段时间里很努力地研究数据，你才有可能看到你想要的结果。但是，只有重复观测到同一件事情很多次，才能确定它的真实性。

抛3次硬币，结果都是正面朝上，你会把它归于概率;连续抛5次都是如此，你可能会开始怀疑这枚硬币是不是被做过手脚。要正式宣布一项发现，粒子物理学家的“黄金标准”是这一现象为巧合的概率不得超过1/3500000，这个值相当于连续抛硬币21次正面朝上。

大型强子对撞机发现的异常还没有达到这个地步。这个异常出现在能产生两个高能光子的碰撞中。这种碰撞一般很少会产生高能光子，原因纯粹是这会消耗更多的能量。事实上，随着能量的升高，ATLAS和CMS确实看到由其他已知过程产生的“背景”事件的数目在下降。

但是，当产生的两个光子的总能量达到750GeV（1GeV=10亿电子伏特）时，这两个探测器发现事件数有微微的上扬。这暗示了什么？粒子都有质量，当它们衰变时，其质量被转换成衰变产物的质量和能量。发现总能量750GeV的双光子数目过多，意味着它们是一种未知粒子的衰变产物，该粒子的质量与这个能量相当。

由计算机绘制的大型强子对撞机CMS探测器中质子--质子碰撞产生的粒子碎片轨迹图。左下和右上的绿色直线为发射出的双光子

衰变成两个光子是非常“干净”的过程——光子比其他粒子更易于探测，而且预期的背景事件率是已知的。在125GeV处出现的类似的轻微上扬，最终被证明是希格斯玻色子暗示存在的第一条线索。这一最新的异常代表着迄今仍有待发现的质量最大的粒子，粗略地估算，其质量是希格斯玻色子的6倍，是铅原子的几乎4倍。

这个信号与希格斯玻色子被确认发现之前6个月出现的异常极其相似。虽然现在还无法计算出一个确切的数字，但综合ATLAS和CMS2015年12月公布的最新结果，这一异常统计涨落的概率约为几百分之一。这相当于连续抛硬币9次或10次都是正面，虽然足以起疑，但还欠说服力。

即便如此，星星之火已经燎原。就在ATLAS和CMS公布这一异常之后不到一周，理论物理学家就在arXiv服务器上发布了100多个可能的解释，而且这个数字至今仍在暴增。在arXiv上，物理学家可以在正式发表前发布自己的论文和数据。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的野村保教是最早发表相关文章的人之一。“一般我是不会盯上类似的异常现象的，因为它们绝大多数其实乱七八糟，但这一个相对干净。”他说，“一定程度上，我们有点绝望，因为我们有很多问题需要解决，却没有数据。”

关于这个假想中的粒子，科学家已经知道了一些事情。它不带电荷，自旋——量子力学特性——的范围也受到了限定。光子的自旋为1，任何衰变成两个光子的粒子其自旋不可能为1。此外，它必定还具有整数自旋，因此该粒子的自旋可能为2。于是，一些理论物理学家认为，它可能是一种引力子——一种假想的传递引力的粒子，其自旋为2。这将是超越标准模型，把引力与其他作用力统一到一起的第一条线索。

或者，和希格斯玻色子一样，该粒子的自旋为0。事实上，另一种理论认为它是另一种质量更大的希格斯玻色子。

但是，野村保教的分析显示，如果它的自旋确实为0，那它就不会是一种基本粒子，因为如果它是的话，量子力学变幻莫测的奇特行为会在它周围的真空中产生出大量其他短命的基本粒子，使得它的质量飙升到远远高于现在的数值。

相反，野村保教认为，它是一种复合粒子，类似于原子核内的质子和中子。它们是被强核力束缚在一起的夸克。另一方面，这个神秘粒子将是与仅在高能下才会发生的全新的第5种基本作用力有关的第一个粒子。野村保教及其合作者用不同的方法测试了这个猜想，每一次它都经受住了考验。这听起来有些牵强，但历史总是不断地重复。20世纪五六十年代，发现粒子是由夸克组成的使得物理学家提出了强核力。

其他的一些理论家也会对他们钟爱的理论做同样的褒奖。埃利斯敦促大家保持谨慎。他说，考虑到我们的无知程度，这一粒子是基本粒子还是复合粒子目前都可能，“我们能排除的情况不是很多。该粒子自旋允许的范围还是很大的”。

奇怪的是，唯一可以排除的大概恰恰是许多粒子理论家期望的超对称粒子。超对称理论提出，标准模型中的每一种已知粒子都存在一个质量更大的伙伴粒子。大型强子对撞机至今还没有发现任何有关超对称的证据。即便是这个我们所知甚少的最新粒子，也不对应于最简单的超对称模型中的任何东西。

更奇特的是，质量如此之大的粒子应该衰变成两个几乎一样的光子，即把它的质能对半开，但它丝毫没有这些迹象。埃利斯说：“如果事情真是这样，背后肯定还有其他原因。这会进一步要求有新的粒子存在。”

对朱迪切来说，没有现成的理论模型能够解释这一粒子的特性，倒是让一切都变得更加耐人寻味。他说：“这才是故事里最精彩的部分。”他直觉上赞同野村保教的观点，即该粒子预示还存在一系列通过未知的第5种基本作用力来发生相互作用的粒子。如果是这样的话，随着ATLAS和CMS探测数据的累积，在更大的质量上，我们应该会看到更多这样的事件。

这还不是唯一的惊喜。在另一个探测装置LHCb中，研究人员也看到一些异常现象，暗示可能存在未知的粒子。不过，这两个发现之间的关系目前仍不清楚。

对CMS的实验物理学家吉姆·奥尔森来说，首要任务是获得更多的数据。虽然试图保持冷静的头脑，但他同样感到兴奋。如果ATLAS和CMS发现的异常在大型强子对撞机进行的高能粒子对撞实验中继续出现，那么它“绝对是件大事”。他说：“这是一个全新的粒子，也是存在于标准模型之外的第一种粒子。”

又或许，就像之前常常发生的那样，所有的这些希望都会破灭。最近一次的类似事情发生在2014年，当时科学家在CMS和ATLAS的探测数据中发现，会产生粒子喷流的低能碰撞中存在可能的异常。这一现象暗示存在一种质量约为2000GeV的粒子，其统计可信度也和现在的新异常相当。理论物理学家紧接着就提出了各种解释，其中最流行的是一种传递新作用力的粒子。然而，在

对2015年的数据进行分析之后，一切都销声匿迹了。

“统计总是会和我们玩游戏，所以我只能等待更多的数据。”CMS的物理学家帕特里克·雅诺说，“当物理学家在大型强子对撞机的数据中寻找各种各样的现象时，总能找到不少类似的异常。”ATLAS的物理学家也强调了相同的观点。为了寻找某些信号，对ATLAS的数据分析总能在其背景信号中发现一些纯统计上的波动。

是立还是破也许很快就会见分晓。2015年，大型强子对撞机并没有如预期般产出大量数据，CMS探测器中用来弯曲粒子路径的巨型磁铁存在问题，这也导致并非所有的数据都可以利用。如果在数据分析中能够考虑到磁铁缺失的因素，那么结果也许会更加清晰。否则，我们只能耐心地等待从2016年4月起开始的对撞实验发布第一批数据。

粒子物理学家都希望2016年会带他们回到令人无比兴奋的20世纪60年代，当时我们对物质组成的认识因夸克和强核力的发现而发生了翻天覆地的改变。不过，当务之急还是要完成收集更多数据这一艰巨的任务，平衡事实和做出发现之间的冲动。在一个大城市中，当你遇到一个熟人时，可能会惊讶于这一巧合，却忘记了在其他9 9次的时间里，你谁也没遇到。人类的头脑总是倾向于寻找现象背后的原因，即使有可能压根儿就没有。不过，与此同时你也会感到兴奋，否则科学就无法向前推进了。