打破规则的粒子在世界各地的实验中涌现

打破规则是令人兴奋的，尤其是当这些规则已经存在很长时间时。这不仅在生活中是如此，在粒子物理学中也是如此。我这里想到的规则被称为“轻子味普适性”，它是我们粒子物理学标准模型的预测之一，该模型描述了所有已知的基本粒子及其相互作用（引力除外）。在标准模型发明后的几十年里，粒子似乎都遵守这条规则。

情况在 2004 年开始发生变化，当时长岛布鲁克海文国家实验室的 E821 实验宣布了其对 μ 子（电子的重型版本）的属性——称为 g 因子——的测量结果。测量结果与标准模型的预测不符。μ 子和电子都是一类称为轻子的粒子（以及第三种粒子 τ 子，以及三代中微子）。轻子味普适性规则指出，由于电子和 μ 子都是带电轻子，它们应该以相同的方式与其他粒子相互作用（除了与希格斯粒子相关的小差异）。如果它们不这样做，那么它们就违反了轻子味普适性——而意外的 g 因子测量结果表明这正是正在发生的事情。

如果粒子真的打破了这条规则，那本身就很令人兴奋，而且还因为物理学家认为标准模型不可能是自然的终极理论。该理论无法解释为什么中微子有质量，也无法解释构成似乎主导宇宙的不可见暗物质，也无法解释为什么在早期宇宙中物质战胜了反物质。因此，标准模型必然只是一种近似描述，我们需要通过添加新的粒子和相互作用来补充它。物理学家已经提出了大量的此类扩展，但最多只有其中一种理论是正确的，而且到目前为止，还没有任何一种理论得到直接证实。对标准模型的测量违反将是一束手电筒，为我们寻求的更高理论指明方向。

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厄尔巴岛之旅

e821 实验和神秘的 μ 子行为的发现发生在我进入粒子物理学领域之前。大约 10 年前，当我在瑞士伯尔尼担任博士后时，我受邀参加一个关于拟议的 SuperB 对撞机的会议，该对撞机将在罗马附近的托尔韦尔加塔建造，我开始参与轻子味普适性违反的工作。会议在风景如画的意大利厄尔巴岛第勒尼安海上举行。虽然风景如画，但该岛并不容易到达。邀请函发出得很仓促；我很快预订了去比萨的火车，但错过了会议巴士。幸运的是，两位组织者主动提出开车带我去厄尔巴岛。事实证明，这次搭便车是幸运的。

当我们驾车穿过美丽的风景时，我们聊起了物理学。其中一位科学家，一位名叫欧金尼奥·保罗尼的实验家，问我对加利福尼亚州 BaBar 实验对 B 介子衰变的新测量结果有何看法，该结果指向违反轻子味普适性。B 介子是含有美夸克的粒子，它们是物理学家最喜欢研究的粒子之一，因为它们以多种方式衰变，有可能揭示新的物理学秘密。我没有听说过 BaBar 的结果，可能是因为当时它没有引起太多关注。但我很快想到了一种可能的解释来解释测量结果——一个新的希格斯玻色子，除了我们已知的那个传统玻色子之外，可能会导致 BaBar 看到的现象。我对轻子味普适性违反主题的兴趣由此产生。

研讨会的其余部分平淡无奇。第一天之后，重点是对撞机的开发，作为一名理论家，我一句也听不懂实验家们在说什么。所以我享受了厄尔巴岛，并撰写了一篇关于我的希格斯玻色子想法的论文，我在回到伯尔尼后不久完成了这篇论文。这篇文章发表了，但不幸的是，SuperB 项目被取消了，我的同事们对这篇论文的反应并不热情，至少可以这么说：“一年后，新物理学将没有什么可解释的了”是典型的回应，这意味着测量结果可能是一个统计侥幸，异常现象会随着更多数据的出现而消失。

在 BaBar 发现之后的一段时间里，没有出现与这个问题相关的新结果，事情变得平静下来。但是，在 2013 年，日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 上的 LHCb 实验观察到，在与 B 介子衰变方式相关的复杂量 P′₅（“P-五-撇”）中，存在与标准模型预测的偏差。从表面上看，这个量与轻子味普适性无关，起初我并没有觉得这个测量结果非常令人兴奋。然而，一年后，当 LHCb 分析了一个名为 R(K) 的比率时，我的感觉发生了变化，该比率是轻子味普适性违反的度量。实验发现与标准预期的偏差，并且与 P′₅ 发现结果一致，表明 μ 子中可能正在发生一些新现象。

不久之后，故事迎来了一个转折点，又是在一次会议上。这一次又是在意大利，在阿尔卑斯山迷人的拉蒂勒村庄，靠近勃朗峰。在滑雪休息后的下午会议期间，发生了日偏食。同样令人惊奇的是，LHCb 的科学家宣布了一项结果，该结果以更多的统计数据证实了之前的 P′₅ 测量结果——我的理论朋友华金·马蒂亚斯（被称为 Quim）和大卫·施特劳布同意对这些数据进行解释。他们以前从未达成过一致。在感谢演讲者后，我对听众说：“今天我们见证了一个罕见的事件，日偏食；然而，Quim 和 David 第一次达成一致就更令人瞩目了。”

从那时起，轻子味普适性违反的证据一直在增加。轻子普适性是一条古老的规则，自从我们上次看到标准模型的一部分被推翻以来已经过去了许多年。如果这条规则真的被打破了，那么宇宙中一定存在我们不知道的新相互作用和新粒子——可能是可以帮助解决我们这个时代一些最大谜团的粒子。

回归基础

为了充分理解轻子味普适性及其违反意味着什么，我们首先必须回顾亚原子尺度上已知的物质组成部分以及它们之间的相互作用——即标准模型。物质的组成部分被称为费米子，以伟大的物理学家恩里科·费米的名字命名。这些物质粒子有三种版本，称为世代，除了质量之外，它们在各方面都相同。例如，电子有更重的版本，称为 μ 子和 τ 子，上夸克有更重的亲戚，称为粲夸克和顶夸克，而下夸克后面跟着奇异夸克和美夸克。只有轻味是稳定的——它们构成了我们世界由之组成的普通物质。（两个上夸克和一个下夸克构成一个质子，一个上夸克和两个下夸克构成一个中子。）

除了这些粒子之外，费米子还可以通过三种力相互作用：弱力、强力和电磁力（标准模型中忽略了引力，因为它在亚原子尺度上极其微弱）。相应的力粒子称为 W 和 Z 玻色子（对于弱力）、胶子（对于强力）和光子（对于电磁力）。至关重要的是，这些相互作用都不会区分三代费米子。区分不同味的唯一因素是著名的希格斯玻色子，它负责费米子的不同质量。

或者我们曾经这样认为。如果轻子不是普适的——如果存在区分不同世代的力——那么一些有趣的事情正在发生。我们有四个不同的迹象表明轻子味普适性可能不成立。

b → sl⁺l⁻

第一个迹象来自对标记为 b → sl⁺l⁻ 的粒子衰变过程的测量，其中 b 代表美夸克，s 代表奇异夸克，l 代表带电轻子（电子或 μ 子）。在这个过程中，美夸克变成奇异夸克并产生一对轻子——具体来说，是一个轻子及其反物质伙伴。我们预计这些类型的衰变产生 μ 子的频率大约与产生电子的频率相同。然而，测量这些过程的实验，例如 LHCb，观察到电子多于 μ 子，这表明存在不平衡。现在的综合实验数据表明，这种差异仅仅是统计侥幸的几率最多为 0.0001%。

理论家已经提出了各种新的粒子和力，可以比标准模型更好地描述数据。有人可能会问，如何通过添加新粒子来解释 μ 子的缺乏？通过添加来解释不足似乎是矛盾的，但这只在经典物理学中才是这样。在量子领域，这完全说得通。由于所有粒子也具有波动性，量子力学预测了所谓的虚粒子，它们在空旷的空间中不断出现和消失。这些粒子会干扰规则粒子的衰变过程，导致衰变率与标准模型的预测发生变化。例如，这里的一种可能性是，美夸克在变成其通常的衰变产物的过程中，短暂地与一个虚重的版本相互作用，一个新的 Z 玻色子（称为 Z′），与标准的 Z 粒子相反，它确实区分 μ 子和电子。

b → clυ

轻子普适性违反的第二个证据来自观察美夸克衰变为粲夸克 (c)、一个轻子 (l) 和一个中微子 (υ)。在这里，τ 轻子的预期频率低于 μ 子或电子，因为它们更重。然而，BaBar、LHCb 和日本的一项名为 Belle 的实验等实验发现，衰变为 τ 粒子的频率高于预期。此外，衰变为 μ 子和电子的衰变显示出标准模型中不期望的相对不对称性。同样，虚粒子可能正在干扰通常的衰变途径。例如，美夸克可能与虚带电希格斯粒子相互作用，例如我在 2012 年提出的那种（尽管这个模型现在存在一些问题），或者与另一种提议的新型粒子（称为轻子夸克）相互作用。

卡比博角异常和 qq→e⁺e⁻

另一个有趣的信号来自某些称为核 β 衰变的放射性衰变。实验观察到这些衰变的发生频率低于预期。β 衰变发生在原子核内，当下夸克转变为上夸克，反之亦然时，允许中子通过发射电子和反中微子或正电子（电子的反物质对应物）和中微子来变成质子，或反之亦然。当物理学家将他们的测量结果与改进的理论计算相结合时，他们意识到原子核内的粒子寿命比预期的要长。这一发现被称为卡比博角异常，可以解释为电子和 μ 子的行为可能不同的另一个迹象。

此外，LHC 的 CMS 实验观察到两个质子的碰撞导致高能电子 (qq→e⁺e⁻)，并发现与 μ 子相比，产生的电子更多，这再次指向违反轻子味普适性。这项测量和卡比博角异常可能相关，因为相同的相互作用可能抑制放射性衰变，但也可能增强高能电子的产生。

μ 子的磁矩

这个术语描述了 μ 子与磁场相互作用的强度。物理学家用 g 因子来量化它，我们可以用标准模型非常精确地预测它。然而，布鲁克海文实验和费米实验室 G-2 实验的结果偏离了这个预测。G-2 项目将 μ 子送入磁化环中，并测量它们在行进过程中自旋如何变化。如果 μ 子单独在实验中，它们的自旋不会改变——但它们周围产生的虚粒子可以拉动 μ 子，使它们的自旋产生摆动。当然，已知的粒子可以作为虚粒子出现以引起这种效应，但标准模型计算考虑到了这一点。然而，如果自然界中存在比我们意识到的更多的粒子，实验将看到额外的摆动——而且确实如此。

G-2 实验和之前在布鲁克海文的试验的综合结果表明，这种异常是统计侥幸的概率小于 0.01%。然而，支持这种计算的标准模型预测本身是值得怀疑的。它基于其他实验结果（例如，来自 BaBar 和意大利 KLOE 项目的结果），这些结果与最近在超级计算机上进行的量子场论模拟结果不符。

新的粒子动物园

如果我们必须扩展标准模型来解释这些异常现象，我们应该怎么做？换句话说，我们如何修改描述自然的方程，以便理论和实验相符？

一类有希望解释这些测量结果的粒子被称为轻子夸克。它们将单个夸克直接连接到单个轻子：例如，轻子可以通过发射轻子夸克转变为夸克——这与标准模型中的任何相互作用都不同。这样的粒子将是完全新的。过去，在旨在统一标准模型中不同力的高能大统一理论的背景下，已经提出了这种粒子。然而，这些高能量将对应于非常重的粒子。物理学家需要改变现有的大统一模型，以创建一个足够轻的轻子夸克来影响我们讨论过的测量结果。

另一种选择涉及其他新粒子，例如重费米子、重“标量”粒子（包括新的希格斯玻色子）或新型规范玻色子（类似于 W 和 Z 玻色子）。预测此类粒子的一个有趣方法是使用包含除了我们的四维（三个空间维度和一个时间维度）之外，至少一个额外维度（紧凑折叠并隐藏在我们已知的维度中）的理论。

尽管我们获得的这些新现象的暗示非常有趣——至少在我看来是这样——但至关重要的是，我们需要用更多、更精确的数据和更准确的理论计算来证实这些暗示。世界各地的许多实验和理论合作都在努力应对这一挑战。其中包括 LHCb 实验，该实验在 LHC 于 2022 年夏季开始最新运行时开始收集新数据。日本的 Belle II 实验也致力于研究 B 介子衰变，也在收集新的证据。如果这些异常现象中的任何一个得到证实，都将证明新粒子或相互作用的存在。此外，这将意味着新粒子必须具有可以在 LHC 或未来对撞机上直接探测到的质量。这些新型粒子也会影响我们可以观察到的其他现象，从而使物理学家能够对新粒子的性质进行补充测试。

未来的加速器可以提供进一步的见解。电子-正电子对撞机，例如计划在 CERN 建造的未来环形对撞机 (FCC-ee) 或计划在中国建造的环形电子正电子对撞机 (CEPC)，应该具有足够高的亮度（意味着它产生足够的碰撞）来产生大量的 Z 玻色子。这些对于以多种方式观察标准模型中预测的偏差非常有用。首先，大多数异常现象，特别是 μ 子的反常磁矩，会影响 Z 衰变，例如 Z 玻色子变成 μ 子和反物质 μ 子。其次，FCC-ee 预期的 Z 玻色子将产生空前数量的美夸克和 τ 轻子。大量这些粒子将允许对衰变过程进行精确测试，我们期望在这些过程中看到来自新粒子的影响——这些影响目前是无法检测到的，因为我们缺乏足够的数据来看到强烈的信号。

电子-正电子对撞机可能会在 2040 年左右开始运行。之后，物理学家希望在同一隧道中碰撞质子（届时该机器将被称为 FCC-hh），产生更高的能量并有可能直接产生粒子。然而，这样的对撞机可能要到 2060 年之后才会开放。我需要非常健康的生活方式才能看到我研究过的模型之一得到证实。

我们正处于探索的激动人心的时刻。结果不断更新和受到质疑。最近，新的理论计算加强了 b → sl⁺l⁻ 和 b → clν 衰变中新物理学的案例；与此同时，有传言称相应的实验测量结果的可靠性存在问题。我们都在热切等待更新的测量结果和进一步改进的理论预测。如果目前轻子普适性违反的暗示成立，它们可能会为更完整的粒子物理学基本理论提供长期寻求的指导。我们希望这样的理论最终能够解决我们关于自然界的一些最大问题——中微子质量、暗物质和我们宇宙中缺失的反物质。