美丽的物理学：在 LHCb 寻找新粒子

电视新闻以物理学故事开场并不寻常，但这在 2012 年 7 月 4 日发生了，当时世界各地的电视台都选择在黄金时段播出日内瓦的突发新闻：一项近 50 年的搜索以欧洲核子研究中心 (CERN) 物理实验室的大型强子对撞机 (LHC) 发现希格斯玻色子粒子而告终。对于实验物理学家来说，希格斯玻色子是粒子物理学标准模型奖杯柜中最后也是最重要的缺失部分——该理论描述了宇宙中所有已知的粒子以及它们之间的力。然而，物理学家认为，可能存在比标准模型中更多的基本粒子，一场新的、更具挑战性的寻找正在进行中，以找到它们。

就像寻找希格斯玻色子一样，为了发现隐藏的粒子，从而构建更完整的自然界微观尺度图景的竞赛正在 LHC 进行。发现希格斯玻色子的实验——ATLAS 和 CMS——将发挥重要作用，但 LHCb 是一个规模较小、鲜为人知的项目，在同一加速器上运行，为追逐带来了狡猾和隐秘。这个第三个实验很有可能成为第一个带回奖品的实验。

LHCb 遵循与大多数新粒子探索不同的游戏计划。ATLAS、CMS 和许多其他努力试图直接创造未被发现的粒子，而我在其中工作的 LHCb 实验则使用所谓的底强子来寻找我们无法直接产生但会在幕后影响反应的未见粒子的特征信号。LHCb（“b”代表“beauty”，即“底”）研究的是当底强子在大型强子对撞机中产生，然后衰变成其他粒子时会发生什么。底强子是极好的测试对象，因为它们以各种各样的方式衰变，而且物理学家对这些反应应该如何进行有非常精确的预测。任何偏离这些预测的情况都暗示我们可能看到了来自未知粒子的干扰。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。

这种类型的搜索既复杂又需要极高的精度，但它有可能揭示 ATLAS 和 CMS 无法企及的粒子种类。它已经揭示了一些有趣的现象暗示，这些现象有可能挑战当前物理学定律的写法。我们可能正在目睹物理学家以前从未观察到，甚至可能从未想象过的自然界中的粒子或力的作用。如果是这样，我们在 LHCb 的研究可能会揭示宇宙在比人类以往任何时候都更基本的层面上的运作方式。

不完整的理论

标准模型在描述自然界基本粒子的行为以及作用于这些粒子的力方面非常成功。它将基本粒子分为夸克和轻子。有六种夸克，排列成三个族，称为世代：上夸克和下夸克、粲夸克和奇夸克，以及底夸克（也称为美夸克）和顶夸克。我们永远看不到这些孤立的夸克；相反，它们聚集在一起形成所谓的强子——因此，底强子是含有底夸克的粒子。同样，轻子也有三个族：电子和电子中微子、μ子和μ子中微子，以及τ子和τ子中微子。上夸克和下夸克以及电子——都来自第一代——构成了日常物质的原子。属于其他两代的粒子往往更难以捉摸；我们必须使用粒子加速器来诱使它们存在。作用于这些粒子的力——不包括在亚原子水平上不重要的引力——是电磁力、弱力和强力。每种力都由一个额外的粒子传递：例如，光子传递电磁力，W 和 Z 玻色子传递弱力。除了所有这些之外，希格斯玻色子独自存在，它是赋予某些粒子质量的潜在场的体现。

然而，物理学家知道标准模型一定是错误的。“错误”虽然是一个极端的词；我们更愿意说该理论是不完整的。它在回答某些问题上非常成功，但在其他问题上却无话可说。在宇宙层面，它无法解释为什么宇宙主要由物质构成，而在大爆炸中，物质和反物质一定是按相等比例产生的。它也无法告诉我们任何关于暗物质本质的信息，暗物质是宇宙中我们看不到但我们知道必须存在以驱动观测到的恒星和星系运动的额外质量。实际上，标准模型不包括引力，引力是宏观尺度上的主导力，迄今为止所有将其纳入其中的尝试都失败了。

图片来源：Jen Christiansen

即使在已知的亚原子粒子世界中，仍然存在许多谜题。希格斯玻色子的质量恰好不太大于 W 和 Z 玻色子，而标准模型表明它应该大约重 10,000 万亿倍。我们无法辨别物质粒子的三代排列的原因。这些世代似乎是彼此的副本，只是质量存在显着的等级，从“重量”非常轻的上夸克和下夸克到几乎与金原子核一样重的顶夸克。对于这些以及许多其他问题，该模型保持沉默。因此，尽管标准模型取得了长期的成功记录，但它仍然只能是一个近似值，是一个更高理论的可见外观，我们希望这个更高的理论能够为这些难题提供解决方案。我们在 LHCb 以及 ATLAS、CMS 和世界各地许多其他实验中的目标是发现更高理论的元素，这些元素以自然界中存在的但尚未向我们显现的粒子的形式存在。

底夸克实验

大型强子对撞机是 LHCb 的所在地，它是一个 27 公里长的环形加速器，其中两束高能质子以接近光速的速度沿相反方向循环。在 LHCb 内部，这些光束每秒碰撞高达 4000 万次。当质子碰撞并相互湮灭时形成的密集能量点可以凝结成与碰撞质子非常不同的粒子——例如，含有底夸克的粒子。即使它们寿命很短，这些新粒子也会突然出现，然后衰变成 LHCb 可以探测到的产物。

LHCb 实验场地距离欧洲核子研究中心主实验室约四公里，紧靠日内瓦机场的围栏。地面建筑物在设计上是功能性的，并且大部分是从以前的实验中继承下来的。一个大型圆形窗户是唯一的美学让步，让从附近跑道上的飞机上向外看的乘客可以轻松地看到主厅。在其中一座建筑物内，在一个设备齐全的控制室内，物理学家日夜监控实验的状态，实验位于地下 100 米的洞穴中。

虽然与 LHC 环周围的较大兄弟姐妹相比，LHCb 探测器的尺寸适中，但它仍然是一个令人印象深刻的景象，跨度约 20 米长，10 米高。其细长的设计使 LHCb 的外观与 ATLAS 和 CMS 的圆柱形几何形状截然不同，并允许它记录在洞穴一侧附近产生的粒子的信号。这种拉伸的几何形状有助于研究底强子，底强子是含有底夸克的粒子。由于它们相对适中的质量（约为 5 GeV，或吉电子伏特，仅比氦原子核重一点），当底强子在 LHC 形成时，总是会剩下大量的剩余能量。这种额外的能量倾向于将新产生的底夸克从碰撞点向前抛入探测器。尽管 LHCb 的布局不寻常，但它与其他实验有许多相同的组件。这些组件包括大型磁铁、重建碰撞中产生的粒子轨迹的跟踪站和测量粒子能量的量热器。

但有几个属性是 LHCb 独有的，并且是专门为底夸克物理学设计的。例如，放置在距离 LHC 粒子束仅八毫米处的硅条探测器可以高精度地重建粒子衰变的位置——这是一个有用的工具，因为底强子通常在衰变成一组较轻的粒子之前仅向前飞行约一厘米或更短的距离。LHCb 还具有所谓的 RICH（ring-imaging Cherenkov，环形成像切伦科夫）计数器系统，该系统可以根据许多底强子衰变产物发出的光模式来确定它们的身份。

寻找新物理学

在 LHC 的第一次运行（从 2010 年到 2012 年）期间，加速器在我们的实验中产生了近万亿个底强子。这些粒子可以以多种方式衰变，其中一些比其他方式更有趣。我们正在寻找可以作为“新物理学”标志的衰变——标准模型无法解释的行为。

理论物理学家对这种理论可能是什么有许多假设，但大多数想法都涉及比我们已知的粒子稍重的新粒子。这种重量是 LHC 非常适合寻找新物理学的一个重要原因：其碰撞的高能量意味着它可以产生和探测相当大的粒子，质量相当于几千 GeV（相比之下，希格斯玻色子重约 125 GeV，而普通的质子重 0.9 GeV）。ATLAS 和 CMS 实验旨在通过其衰变产生的独特特征信号直接搜索这种大质量粒子。然而，还有另一种更巧妙的方式来寻找新物理学。我们可以通过新粒子对标准模型粒子衰变的“虚”效应来探测新粒子的存在。

为了理解虚粒子的概念，我们必须转向费曼图 [参见下面的方框]。20 世纪著名的美国理论物理学家理查德·费曼发明了这些图，作为可视化和计算亚原子粒子的衰变和相互作用的一种方式。在这里，我们将研究底强子（不幸的是，这些粒子往往被称为希腊字母和符号的相当笨拙的组合）的两种可能衰变路径的费曼图。

在两个例子中，我们都从所谓的 B⁰ （发音为“b bar zero”）介子开始，它是由底夸克和反下夸克组成的强子（反物质粒子用后缀“bar”表示）。在图中，时间从左向右流动。在第一种情况下，我们可以看到我们的起始介子衰变成一个 D^*+ 介子（由粲夸克和反下夸克组成）、一个带负电的 τ 轻子 (τ⁻) 和一个反 τ 中微子 (υ_τ)；因此，该过程被指定为 B⁰ → D*+τ⁻υ_τ。另一个衰变 B⁰ → K^*0μ⁺μ⁻ 产生一个 K^*0 介子（由奇夸克和反下夸克构成）、一个 μ 子和一个反 μ 子。能量守恒定律，以及阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E = mc² 中描述的质量和能量的等效性，要求这些最终粒子的总质量小于初始底介子的质量。质量差转化为衰变产物的动能。

让我们关注图中心发生的事情，即衰变发生的地方。在第一种情况下，我们看到一个 W 玻色子，它是传递弱力的粒子之一，出现在底夸克转变为粲夸克的点。然后，这个 W 玻色子衰变成一个 τ 子和反 τ 中微子。引人注目的是，W 的质量大约是初始 B⁰ 介子的 16 倍。为什么它在衰变过程中出现没有违反能量守恒规则？根据量子力学的神秘计算，只要它发生在足够短的时间尺度内，这种违反实际上是被允许的！在这种情况下，我们说 W 玻色子是虚的。现在转向 B⁰→K^*0μ⁺μ⁻ 衰变，我们看到衰变过程更加复杂，涉及环路结构和三个内部衰变点。但在这里，除了 W 之外，还有几个其他虚粒子也参与其中：一个虚顶夸克 (t) 和一个虚 Z 玻色子，它们的质量都远大于初始介子。虚粒子听起来可能很奇特，但量子力学的规则允许我们绘制这样的图，而且这些图一次又一次地被证明可以正确预测这些衰变发生的概率。事实上，物理学家正是通过这种方法首次预测了粲夸克和顶夸克的存在，并首次估计了它们的质量。

我们讨论的图仅代表了这些特定衰变如何进行的两种可能性。我们可以想象其他的，一些我们从未见过的粒子在内部衰变点之间追踪路径，甚至找到连接初始状态和最终状态粒子的不同方式。令人惊奇的是，所有这些可能性都很重要。量子力学的规则告诉我们，自然界中发生的事情是由我们可以绘制的所有有效图的净贡献驱动的，尽管最简单和最明显的图具有最大的权重。因此，所有这些可能的衰变路径都应该发挥作用，我们必须在我们预测衰变率、产物轨迹和其他细节时考虑它们。换句话说，即使粒子在仅涉及标准模型常规成员的正常过程中衰变，它也会感受到外部每个可能粒子的影响。因此，如果衰变的测量值与我们仅基于标准模型成分的计算结果不一致，我们就知道一定有其他因素在起作用。

这一事实是 LHCb 间接搜索新粒子和新物理学策略的指导原则。由于这些新粒子将成为我们测量的每次衰变中的虚拟参与者，因此我们可以探测到的粒子的质量不受我们的加速器能量容量的限制。原则上，如果我们以足够的精度研究正确的衰变过程，我们就可以观察到甚至比 ATLAS 和 CMS 中可以产生和探测到的粒子更重的粒子的影响。

标准模型的裂缝

我在 LHCb 的同事和我已经看到迹象表明，标准模型对底强子衰变的描述可能存在问题。线索来自各种测量，但它们都具有一些共同的特征信号。重要的是要强调，通过更多的数据和对理论的更好理解，我们可能会发现标准模型确实与我们的发现一致。即使事实证明是这样，这些早期的暗示也说明了标准模型大厦中的裂缝是如何发展和扩大的。

例证 A 涉及我们之前讨论过的 B⁰ → D^*+τ⁻υ_τ 衰变，以及可能违反称为轻子普适性的规则。在标准模型中，W 玻色子衰变成 τ 轻子及其反中微子的概率与衰变成 μ 子和电子族成员的概率相同（在我们考虑了 τ 子、μ 子和电子的不同质量之后）。换句话说，W 衰变的规则对于所有轻子应该是普遍适用的。但在 LHCb，在我们计算了每个类别中的衰变次数，减去了任何可能伪造这些衰变信号的过程，并校正了并非所有衰变都被观察到的事实后，我们发现底强子衰变成 τ 子的频率似乎比标准模型所说的要高。

我们的结果尚无定论；我们发现的差异强度为“两个西格玛”，“西格玛”表示不确定性。由于统计波动，一个西格玛效应在实验科学中并不少见，物理学家只有在出现三个西格玛偏差时才会真正坐起来注意。五个西格玛是宣布发现新粒子或声明预测错误时常用的基准。因此，我们的两个西格玛效应并不那么引人注目——除非你考虑物理学家在其他实验中发现的东西。

研究人员还在 BaBar 和 Belle 进行了轻子普适性违例的寻找，BaBar 和 Belle 是分别位于加利福尼亚州和日本的两个底夸克物理学实验，它们在 21 世纪的第一个十年收集了数据。这些实验的结果始终如一地偏爱 τ 子，与我们测量的相同衰变以及类似过程相同。此外，在 LHCb，我们今年早些时候使用不同的技术对这些衰变中的轻子普适性进行了新的测量，我们再次发现 τ 子略高于预期。总而言之，这一系列测量给出的结果与传统预测相差四个西格玛。这是所有粒子物理学中最引人注目的差异之一，并且构成了标准模型的真正问题。

可能发生了什么？理论家们有一些想法。例如，可能涉及一种新型带电希格斯粒子。希格斯玻色子不尊重轻子普适性，并且它们优先衰变成质量较高的粒子，因此有利于 τ 粒子的产生。然而，我们看到的差异的确切大小和模式与预测这种额外希格斯粒子的最简单理论并不完全吻合。另一种更奇特的解释是轻夸克，一种假设的粒子，它可以让夸克和轻子相互作用。当然，最后，我们看到的结果可能是由被误解的信号伪装成我们正在寻找的衰变而引起的实验效应。为了理清这些可能性，我们需要新的、更精确的测量。我们预计未来几年会有一些测量结果，来自 LHCb 以及 2018 年 4 月开始运行的新一代 Belle II 实验。

我们下一个显示新物理学迹象的例子来自我们之前讨论过的衰变 B⁰ → K^*0μ⁺μ⁻。此类衰变过程是寻找新物理学迹象的绝佳场所，原因有两个。首先，费曼图中心的“环路”结构立即告诉我们，在标准模型中发生衰变需要精细的技巧；然而，新物理学粒子可能更容易实现这个过程，因此它们的存在可能更明显。其次，这种衰变具有许多我们可以测量的特性：我们可以记录过程发生的速率，以及衰变产物的角度和能量以及其他类型的信息。然后，我们可以将这些特性构建成各种“可观测量”——我们可以直接与标准模型预测进行比较的量（但不幸的是，这些量并不总是等同于容易想象的特性）。

在许多方面，B⁰ → K^*0μ⁺μ⁻ 是底夸克物理学的典型代表，其优点在 LHC 甚至开启之前就已撰写的大量理论论文中显而易见。这种衰变唯一缺少的是一个像样的命名法，因为用于标记不同可观测量的名称相当平淡无奇，例如 “P₅′”（发音为 “p5 prime”），但这仍然是我们故事的英雄。

我们使用一些早期的 LHCb 数据对 P₅′ 进行了首次分析，测量了由衰变末端产生的一对 μ 子的方向和能量表征的不同衰变类别的可观测量。对于某些配置，我们发现了预测值与我们的观测值之间存在显着差异。基于这些初步结果，物理学界热切期待我们几年后使用完整的 run-one 数据集公布的更新分析。差异会持续存在，还是会被证明是统计上的偶然事件？它仍然存在。效应的大小现在约为 3.5 西格玛，这不足以证明订购香槟是合理的，但肯定足以被认真对待。我们从类似衰变过程中其他可观测量的测量结果中也发现了有趣的差异，这进一步鼓励了我们。与标准模型的总体不一致性高达 4.5 西格玛——这是该理论无法忽视的问题。

理论家们已经提出了大量潜在的新物理学解释来解释这种效应。轻夸克，已经在 B⁰ → D^*+τ⁻υ_τ 衰变中被调用，是一种可能性。另一种是 Z′（“z prime”）粒子，它将是众所周知的 Z 玻色子的奇特、较重的表亲，但它以自己独特的方式衰变成夸克和轻子。然而，这种推测必须始终尊重其他测量已经存在的约束。例如，这些假设的新粒子的质量和行为必须使其尚未在 ATLAS 和 CMS 的直接搜索中出现是合理的。

理论家即使不是才华横溢，也绝对是足智多谋的，并且有很多合理的场景符合这些标准。但我们必须谨慎。一些物理学家担心，标准模型对这些可观测量的预测并未完全受到控制，这意味着测量值和理论之间的实际差异可能比想象的要小得多。特别是，与强力相关的难以计算但平淡无奇的效应的后果可能比最初认为的要大。好消息是，有一些方法可以通过额外的测量来检验这些想法。这些测试需要详细的分析和更多的数据，但这些数据一直在不断到来。

LHCb 提出的最后一个谜题涉及一组双重测量，这组测量与我们之前的两个例子都有一些共同之处，但最终可能成为三者中最有趣的。在这里，我们研究了一个比率，称为 R_K*（“r k star”），它比较了我们在研究 P₅′ 时研究的过程的速率，其中底强子衰变成 K^*0 介子和 μ 子-反 μ 子对，与类似衰变的速率，该衰变产生电子和反电子代替 μ 子对。我们还研究了第二个比率 R_K，比较了 K^*0 介子被另一种称为简单 K 介子的奇异强子取代的衰变。同样，我们试图测试轻子普适性，但在这种情况下，是在轻子的前两代之间——电子和 μ 子之间。

在标准模型中，预测是微不足道的——每个比率中的两个衰变应该以相同的速率发生，从而使两个比率 R_K 和 R_K* 的预期值非常接近于 1。我们再次期望轻子普适性成立。虽然测量远非直截了当，但与之前讨论的轻子普适性分析相比，实验挑战较少，因此构成了对标准模型极其清晰和简洁的测试。

我们首先执行了 R_K 分析，发现它的值偏低，为 0.75，精度使其与预测值相差 2.6 西格玛。这种偏差非常有趣，以至于我们都非常渴望知道 R_K* 的值，我们最终在今年早些时候发布了该值。等待是值得的，因为对于我们检查 R_K 的相同条件，R_K* 显示出非常相似的行为。我们测量的比率为 0.69，比标准模型预测值低 2.5 西格玛。虽然这些低估很可能是统计波动，但我们在两个不同的测量中发现了它们，以及测试的原始性质，意味着这种异常现象受到了极大的关注。

如果 R_K 和 R_K* 测量真实地代表了现实，它们表明自然界中的某些东西偏爱产生电子的衰变而不是产生 μ 子的衰变，轻夸克或 Z′ 玻色子再次成为可能的罪魁祸首。事实上，μ 子似乎被低估了，而电子更紧密地遵循标准模型脚本。如果是这样，那么无论是什么机制导致了这种情况，不仅可以解释 R_K 和 R_K* 的异常现象，还可以巧妙地解释基于 μ 子的 P₅′ 测量。为了更好地衡量，一些更雄心勃勃的理论家甚至提出了也可以解释 B⁰ → D^*+τ⁻υ_τ 谜题的解决方案，但构想一个具有解释所有三个测量结果的必要特征的粒子看起来是一项艰巨的任务。

显而易见的是，我们很快就会了解更多信息。我们现在正在分析来自 LHC 第二次运行的新数据，我们对 R_K 和 R_K* 值的了解将迅速提高。要么差异的显着性将增加，那么这些异常现象将成为物理学中最大的新闻，要么它们将减少，车队将继续前进。

伽利略的座右铭

我们讨论的结果只是最近在底夸克物理学中出现的大量有趣测量中最突出的例子。它们理所当然地激发了粒子物理学界的许多人，但我们当中更年长和更有智慧的科学家已经在以前的实验中看到过这种效应的来来去去，因此我们很乐意等待并观察。

如果这些异常现象中的一个或多个从“有趣的暗示”类别转变为“与标准模型的明确矛盾”，那意味着什么？可以肯定的是，这将是粒子物理学几十年来最重要的发展，为我们打开了一扇窗户，让我们了解存在于我们当前对宇宙法则理解之外的景象。届时，我们需要准确地发现是什么导致了标准模型的这种崩溃。根据新物理学粒子的性质——无论是奇异希格斯粒子、轻夸克、Z′ 还是完全不同的东西——它的影响都应该出现在其他底强子衰变中，为我们提供更多线索。此外，除非它非常重，否则这种新粒子也可能直接出现在 LHC 的 ATLAS 或 CMS 的碰撞中，或者在未来能量更高的加速器中。

无论未来如何发展，LHCb 的精湛灵敏度和未来几年显着改进的良好前景都是不可否认的。我们不知道通过间接搜索通往新物理学的道路是短还是长，但我们大多数人都确信我们正朝着正确的方向前进。毕竟，据说伽利略教导我们“测量可测量的，并使不可测量的变得可测量”。对于 LHCb 来说，没有比这更好的座右铭了。