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能量突破標(biāo)準(zhǔn)模型 是新粒子還是假信號(hào)
視覺(jué)中國(guó)
發(fā)現(xiàn)“新粒子”好比發(fā)現(xiàn)新大陸，出乎尋常又令人興奮。因?yàn)榘雮€(gè)多世紀(jì)以來(lái)，粒子物理學(xué)家們精心繪制了一張擁有61個(gè)成員的“粒子譜”，目前實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的所有粒子都能在這張譜上找到對(duì)應(yīng)的身份。
比如，W玻色子、Z玻色子、膠子、頂夸克以及魅夸克還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)之前，理論物理學(xué)家們已根據(jù)“粒子譜”預(yù)測(cè)到它們的存在，并且對(duì)其性質(zhì)的估計(jì)也非常精確。這張神奇的“粒子譜”就是標(biāo)準(zhǔn)模型，被稱(chēng)為迄今為止在粒子層面理解自然的最佳理論。
近日，有新的信號(hào)似乎要打破這一標(biāo)準(zhǔn)模型。歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家宣布，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中的緊湊型繆子螺旋磁場(chǎng)探測(cè)器（CMS）可能發(fā)現(xiàn)了一種全新粒子，它的能量大約是28GeV（10億電子伏特），不足希格斯玻色子（125GeV）的四分之一。而28GeV的能量值與現(xiàn)有理論的預(yù)測(cè)都不吻合。相關(guān)研究論文作為預(yù)印本發(fā)表在ArXiv上，還未通過(guò)同行評(píng)議。
物理學(xué)家們表示，若是新粒子，會(huì)非常令人振奮。但目前，他們更加強(qiáng)調(diào)要謹(jǐn)慎對(duì)待這個(gè)信號(hào)。
“粒子雨”中出現(xiàn)繆子對(duì)
28GeV的信號(hào)是如何被發(fā)現(xiàn)的？CERN的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行這次實(shí)驗(yàn)原本是為尋找另一種與希格斯玻色子相似的粒子。在粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，重粒子（如希格斯玻色子）通過(guò)粒子碰撞產(chǎn)生后立即發(fā)生衰變，產(chǎn)生暴雨般的更輕、更小的粒子（比如光子或電子），由于這些粒子比重粒子穩(wěn)定，所以能被探測(cè)器“捕獲”。科學(xué)家們?cè)俳?jīng)過(guò)物理分析，推測(cè)出它們的起源。
本次實(shí)驗(yàn)，“粒子雨”中出現(xiàn)了成對(duì)的繆子，它們與電子相似但更重。研究人員分析了這些繆子的能量和方向。據(jù)英國(guó)哈德斯菲爾德大學(xué)國(guó)際加速器應(yīng)用研究所主管、研究教授羅杰·巴洛分析，繆子對(duì)中的兩個(gè)粒子通常分別產(chǎn)生于不同事件，而非同時(shí)由一個(gè)粒子的衰變產(chǎn)生。假設(shè)繆子對(duì)中的兩個(gè)粒子源自同一個(gè)粒子，那么母粒子的質(zhì)量將分布在一個(gè)較大的范圍中。
但這次，母粒子的質(zhì)量分布在28GeV處的一個(gè)峰值。也就是說(shuō)，也許存在一種能量為28GeV的粒子，釋放了這些繆子對(duì)。
據(jù)了解，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著性為4.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。巴洛分析稱(chēng)，這意味著峰值來(lái)自數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲的概率僅為0.0013％。
但另一個(gè)費(fèi)解的事實(shí)是，當(dāng)研究人員將能量加倍后，數(shù)據(jù)顯著性掉到了2.9倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。論文作者尼基·特克認(rèn)為，這可能是因?yàn)楦吣芰繉?shí)驗(yàn)產(chǎn)生了更多的“背景粒子”，模糊了信號(hào)。
不在標(biāo)準(zhǔn)模型“粒子譜”內(nèi)
為何28GeV的信號(hào)令人興奮呢？因?yàn)槟芰繛?8GeV的新粒子不在標(biāo)準(zhǔn)模型里，甚至不在其他主流理論的預(yù)測(cè)之內(nèi)。
中科院高能物理所研究員阮曼奇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，標(biāo)準(zhǔn)模型中有61個(gè)粒子，每一個(gè)粒子的種類(lèi)、性質(zhì)、量子數(shù)、質(zhì)量大小、相互之間的耦合等基本上都是確定的。“標(biāo)準(zhǔn)模型是粒子物理學(xué)家摸索出來(lái)的和實(shí)驗(yàn)吻合得最好的、最簡(jiǎn)潔的理論，精準(zhǔn)描述了對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)室中看到的幾乎所有現(xiàn)象。它非常詳盡，以致于沒(méi)有太多含混。”
標(biāo)準(zhǔn)模型的詳細(xì)程度好比一個(gè)賓館套間，其手冊(cè)上清楚說(shuō)明了每一件物品的名稱(chēng)、種類(lèi)、數(shù)量、位置等，從而使客人非常舒服地住在里面。“某天，你走進(jìn)房間發(fā)現(xiàn)客廳多了一架鋼琴，而它并不在說(shuō)明書(shū)上，你會(huì)感到驚訝。”
CMS探測(cè)到的28GeV能量的信號(hào)，好比這架突然闖入的鋼琴，打破了粒子物理學(xué)家的舒適區(qū)。中科院高能物理研究所研究員張華橋承擔(dān)著一部分CMS研究工作，他在接受記者采訪時(shí)說(shuō)：“如果它是一個(gè)新的基本粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型就無(wú)法解釋。因?yàn)樗馁|(zhì)量比介子和重子高，又比我們希望探測(cè)到的高質(zhì)量基本粒子低很多。”
另一方面，目前的天文觀測(cè)和中微子實(shí)驗(yàn)表明，標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)非終極理論。因而，突破標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子將會(huì)是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。
