在最小的尺度上，宇宙中的一切都可以分解成称为粒子的基本单元。“标准模型”是粒子物理学的主流理论，它描述了少量已知物种，这些物种以无数种方式结合在一起，构建我们周围的物质并传递自然力。然而，物理学家知道这些粒子不可能是全部——例如，它们没有解释似乎构成宇宙大部分质量的暗物质或暗能量。现在，两个实验观察到粒子的行为方式不符合任何已知的物理定律，这可能表明存在某种超出标准范畴的新型粒子。结果尚未完全证实，但两个碰撞不同类型粒子的实验都看到了类似的效果，并且在 2012 年第三个粒子对撞机也出现了这种行为的迹象，这让许多物理学家感到兴奋。“这真的很奇怪，”加州理工学院的理论家马克·怀斯说，他没有参与这些实验。“这种差异很大，而且似乎有非常可靠的基础。这可能是我们见过的对标准模型最强烈、最持久的偏离。” 在标准模型中发现这样的裂缝令人兴奋，因为它暗示了一条潜在的路径，可以将模型扩展到目前已知的粒子之外。
令人惊讶的结果来自瑞士大型强子对撞机 (LHC) 的 LHCb 实验和日本高能加速器研究机构 (KEK) 的 Belle 实验。两者都观察到，当被称为 B 介子的粒子（由一个底夸克和一个反夸克构成）衰变时，某些类型的轻子数量比其他类型多。轻子是一类包括电子及其较重近亲μ子和τ子的粒子。标准模型的一个原则称为轻子普适性，它指出所有轻子都应受到弱相互作用的同等对待，弱相互作用是负责放射性衰变的基本力。但是，当实验观察到大量 B 介子衰变时，本应在其最终产物中产生相等数量的电子、μ子和τ子（在考虑粒子的不同质量之后），但衰变实际上产生了更多的τ子。
原子撞击
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于当今塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
LHC 将质子与质子碰撞，而 Belle 加速器则将电子与其反物质对应物正电子碰撞。 然而，这两种类型的碰撞有时都会产生 B 介子，从而使每个实验都能够测量不稳定介子衰变时的最终产物。在 9 月 11 日的物理评论快报中发表的一篇论文中，LHCb 团队宣布他们观察到τ子数量可能超出标准模型预测的频率约 25% 至 30%。Belle 在一份提交给 物理评论 D 审阅的论文中报告的数据中看到了类似但不太明显的效果。两个团队都在 5 月于日本名古屋举行的 2015 年味物理与 CP 破坏会议上分享了他们的发现。
有趣的是，这两个结果也与 2012 年（以及在 2013 年中扩展）由位于加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室的 BaBar 实验得出的早期发现一致。“就其本身而言，Belle 的结果和 LHCb 的结果都没有明显偏离标准模型，”夏威夷大学的 Belle 团队成员汤姆·布劳德说，他也是其后继项目 Belle II 的发言人。“结合 BaBar，我们可以做出一个‘世界平均值’（结合所有结果），它与标准模型相差 3.9 个西格玛。” 西格玛是指标准偏差——对发散的统计测量——物理学家通常宣布发现的阈值是 5 个西格玛。虽然 3.9 个西格玛的差异并没有完全达到标准，但这表明这种效应随机发生的几率仅为 0.011%。劳伦斯伯克利国家实验室的理论家佐尔坦·利盖蒂说：“目前，我们有三个暗示性但不确凿的证据表明，存在一个非常有趣的效应”，他没有参与这些实验。“随着实验收集更多数据，我们应该会在几年内明确答案。”
如果这种差异是真实的，而不是统计上的侥幸，那么研究人员将面临弄清楚它意味着什么的艰巨挑战。“这种效应实际上不是大多数物理学家所期望的那种，”利盖蒂说。“它不容易被纳入最流行的模型中。从这个意义上说，它相当令人惊讶。”
例如，所谓“新物理学”或超出标准模型思想的宠儿——超对称性——通常不会预测出这样的效应。超对称性假设了大量尚未发现的粒子，以镜像已知的粒子。然而，它预测的粒子中没有一个能轻易产生这种违反轻子普适性的行为。“我认为目前我们不能说这指向超对称性，”马里兰大学的物理学家和 LHCb 合作组织的成员哈桑·贾瓦赫里说，“但这不一定会违反超对称性。”
然而，如果信号是真实的，那么可能涉及到某种新的粒子。在所有 B 介子衰变中，在某个时刻会产生一个较重的“虚”粒子，然后迅速消失——这是一种量子力学允许的奇怪现象。在标准模型中，这个虚粒子始终是 W 玻色子（一种传递弱力的粒子），它与所有轻子的相互作用相同。但是，如果虚粒子是更奇特的东西，它与每个轻子的相互作用不同，具体取决于其质量，那么最终可能会产生更多的 τ 子，因为 τ 子是最重的轻子（因此可能与虚粒子相互作用更强）。
新的希格斯玻色子还是轻夸克？
虚粒子一个潜在的吸引人的候选者是一种新型希格斯玻色子，它比 2012 年在大型强子对撞机上备受瞩目地发现的粒子更重。人们认为，已知的希格斯玻色子赋予所有其他粒子质量。除了比这个已知粒子更重之外，新的希格斯玻色子还将具有其他不同的特性——例如，为了影响 B 介子衰变，它必须具有电磁电荷，而已知的希格斯玻色子没有。“这将意味着我们迄今为止发现的一个希格斯玻色子不是唯一负责为所有粒子产生质量的粒子，”贾瓦赫里说。事实上，超对称性预测了超出我们所知范围的额外希格斯玻色子。然而，在该模型的大多数形式中，这些预测的希格斯粒子不会产生与实验中出现的一样大的差异。
另一个选择是更奇特的假设粒子，称为 轻夸克——夸克和轻子的复合体，它从未在自然界中被观察到。这个粒子也会比 μ 子和电子与 τ 子的相互作用更强。“在某些类型的模型中，轻夸克可以非常自然地出现，”利盖蒂说。“但是，没有理由期望它们的质量像解释这些数据所需的质量那样低。我认为大多数理论家目前不会认为这些模型特别引人注目。”
事实上，理论家迄今为止可以想到的所有对观测结果的解释都有些不尽如人意——而且在解决物理学中任何更大的突出问题（例如什么构成暗物质或暗能量的问题）方面没有太大作用。“这些模型没有什么好的地方——它们只是为了解释这个事实而拼凑起来的，而不是为了解决其他事实的麻烦，”怀斯说。“但仅仅因为理论家不满意，自然界就会做自然界所做的事。”
还有一种可能性，尽管很小，但物理学家可能错误地计算了标准模型的预测，并且现行的规则仍然适用。“标准模型的计算可能不正确，但最近的计算没有发现任何严重的问题，”加拿大维多利亚大学的 BaBar 实验发言人迈克尔·罗尼说。“实验也有可能遗漏了一些更传统的解释，但 LHCb 和 BaBar 的实验条件非常不同。在 BaBar，我们一直在以不同的方式挖掘我们的数据，但这种效应仍然存在。”
物理学家们乐观地认为，随着更多数据的出现，这个谜团很快就会解开。4 月，大型强子对撞机开始以更高的能量运行碰撞，这对于 LHCb 来说意味着会产生更多的 B 介子，以及更多寻找差异的机会。与此同时，Belle 正在计划一项升级实验，并计划在 2018 年开始收集数据的改进型探测器 Belle II。两个实验最终都应该找到更多数据来证实这种效应，或者如果它只是统计上的侥幸，就看到它消失。“如果它存在，那么我们在未来十年将有一个巨大的项目来更详细地研究它，”贾瓦赫里说。“到那时，我们希望知道它也意味着什么，而不仅仅是它存在。”