几十年来，物理学家一直在寻找行为不端的粒子的迹象——证明粒子物理学“标准模型”中存在细微裂缝的证据，该模型是描述我们宇宙最基本组成部分的支配性理论。尽管标准模型已被证明非常准确，但科学家们早就知道需要进行一些调整。现在，正如最近在《自然》杂志上发表的评论文章所记录的那样，实验人员已经开始看到一些粒子违反该理论的迹象——但它们并非理论家们所寻找的那种违规行为。
证据来自电子及其质量更大的同类粒子，即μ子和τ轻子。根据标准模型，这三种粒子应该像大小不同但其他方面相同的三个一组。但三个实验产生了越来越多的证据——包括最近几个月宣布的结果——表明这些粒子对某些尚未被发现的神秘影响的反应不同。这些发现尚未最终确定，但如果它们成立，“这将是一场彻底的革命”，加州理工学院的理论家马克·怀斯说。
诱人的迹象
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标准模型的动摇将是巨大的。自 20 世纪后期该理论被充实以来，它已经构成了粒子物理学研究的基石。它将宇宙划分为构成所有物质的 12 种基本粒子，以及传递自然基本力的“力载体”粒子。（例如，粒子通过交换瞬态光子来施加电力或磁力。）然而，尽管取得了成功，标准模型并没有预测任何可以解释引力或被认为在太空中无形存在的暗物质的东西。为了将粒子物理学与这些更大规模的观测结果结合起来，理论家们提出了各种“新物理学”——超越标准模型范畴的物质或力。但大多数实验都顽固地坚持着该理论，并且令人印象深刻，没有发现假设的粒子或力的证据。
然而，自 2012 年以来，粒子行为不端的迹象开始从标准模型的一个较少探索的角落浮现出来：一种称为“轻子普适性”的模式。这里的“轻子”指的是包括电子、μ子和τ子的粒子类别。标准模型预测这三种物质应该以完全相同的方式与其他粒子相互作用，除了它们独特的质量造成的差异之外——行为的共同性是轻子普适性中的第二项。
第一个轻子惊喜出现在 2012 年在加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室进行的 BaBar 实验中公布的结果中。BaBar 的粒子加速器将电子和它们的反物质等效物（称为正电子）撞击在一起。碰撞产生了许多重但不稳定的复合粒子：它们的行为就像具有惊人放射性的铀原子，在衰变成越来越小的粒子之前仅持续几纳秒的分数。最终产物喷射到加速器的探测器中，使科学家能够重建粒子衰变的链条。如果标准模型是正确的，那么 BaBar 团队检查的两种衰变类型产生τ子的频率应该只有电子的 25% 到 30%，电子更轻，因此更容易产生。但事实并非如此。τ子比它们应该出现的频率高得多，暗示τ子和电子之间存在超出其质量的差异。
BaBar 的结果仅仅是个开始。另外两个实验，瑞士大型强子对撞机的 LHCb 实验和日本高能加速器研究机构的 Belle 实验，研究了相同的衰变，并在 2015 年发表了类似的结果。Belle 与 BaBar 一样，碰撞电子和正电子。但 LHCb 以更高的能量碰撞质子和质子，并使用不同的方法检测产物。这些差异使得人们难以将这些结果视为实验错误，从而增加了这种异常现象真实存在的可能性。
此外，LHCb 还在另一种产生轻子的衰变类型中发现了轻子普适性违反的迹象，并在几个月前宣布了第四种衰变类型的可能偏差。就在上个月，它报告说在相关的衰变中，电子和μ子（而不是τ子）之间也存在类似的差异。所有这些相互印证的证据越来越有力地证明，有些事情系统性地不正常。“如果[这些偏差]被证实是真实存在的，”BaBar 的发言人兼维多利亚大学教授迈克尔·罗尼说，“如果它们没有关联，那将会很奇怪。”
一场革命——如果它是真实的
如果各种轻子的行为真的不同，唯一的解释将是某种先前未被识别的力。根据标准模型，较大的粒子通过“弱力”衰变为轻子（和其他产物），弱力是导致某些形式的放射性衰变的原因。*但弱力平等地对待所有轻子。如果产生的τ子比弱力应该产生的多，那么某种未知的力，与某种未被发现的伴随力载体粒子有关，必须以一种偏爱τ子的方式分解较大的粒子。发现这样一种力将与发现电磁力一样重要，尽管对我们日常生活的影响要小得多。“这确实构成了一场物理学革命，尽管略微夸张，”马里兰大学帕克分校的物理学家兼 LHCb 合作成员哈桑·贾瓦赫里说。
由于其影响将是如此巨大，物理学家将要求压倒性的证据——实验人员充分意识到这一负担。 《自然》评论的作者之一、阿姆斯特丹 Nikhef 国家亚原子物理研究所的博士后研究员格雷格·切扎雷克说，轻子普适性违规行为“将属于提出非凡主张的范畴”，正如谚语所说，这需要非凡的证据。**罗尼总结了这种怀疑：“你不会与标准模型打赌。”
迄今为止的证据并非微不足道。综合所有数据，τ子/电子偏差仅仅是统计误差的概率现在约为万分之一。对于任何日常问题，这都绰绰有余。但粒子物理学家是一群持怀疑态度的人；在错误警报的概率仅为 350 万分之一之前，该团体不会认为一项发现得到证实。正如一些“时间上更先进”的科学家可以证明的那样，他们以前曾被这种错误灼伤过，劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学教授佐尔坦·利盖蒂说。“我们过去也看到过类似的波动，它们来来去去。”
考虑到轻子普适性与理论家对标准模型中可能出现裂缝的期望相差甚远，这些证据更难令人接受。“理论家们讲述了一个故事，”怀斯说，“而这并不在故事线中。”更糟糕的是，对轻子行为的拟议解释似乎是临时的且令人不满意的。“可以适应……异常的模型实际上并没有在第一眼就做任何其他事情，”利盖蒂说。“例如，它们并没有让你更接近理解暗物质可能是什么。”
尽管如此，他补充说，“自然告诉我们自然是什么样的。”物理学家们越来越注意到违规行为的持续存在，并提出了新的理论解释。实验家和理论家都在寻求减少现有测量的测量不确定性。最终，最大的启示将来自 LHCb 和下一版本的 Belle 产生更多数据。物理学家们乐观地认为，大约在五年内，我们不仅会知道这种效应是否真实存在，而且我们还会对其做出解释。“如果存在新的[力载体]粒子，”斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的理论家斯维特拉娜·法伊费尔说，“[它]应该具有 LHC 可以达到的质量”，这意味着对撞机应该能够产生并识别这样的粒子。对于一些理论家来说，这种可测试性具有很大的吸引力。“这实际上让人感到兴奋，因为如果我做某事，它可以被证明是对还是错，”利盖蒂说。“无论如何，情况都会变得明朗。”
*编者注（2017 年 8 月 14 日）：这句话在发布后进行了编辑，以澄清原文。
**编者注：(2017 年 8 月 14 日)：这句话在发布后进行了编辑。原文错误地将评论的主要作者归因于格雷格·切扎雷克。