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28GeV!是新粒子嗎?

時間:2024-01-17

2012年,當希格斯玻色子首次被發現時,人們興奮不已,它的發現發現完成了所謂的標準模型——我們目前在粒子層面理解自然的最佳理論(詳見:《已知最精確的科學理論是?》)。這一發現也因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。

最近,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)的科學家再一次發現了一個耐人尋味的信號,他們在數據中能量為28 GeV的地方檢測到了一個神秘的峰值。

粒子物理學家為此感到興奮,因為它預示著一種新的粒子。但是,他們的興奮中卻夾雜著焦慮。希格斯粒子證實了我們對物理現實的理解,然而與此不同的是,這種新粒子似乎對已有的理論模型構成了威脅。

這次新的結果已經作為ArXiv的預印本發表,雖然沒有經過同行評議,但這不是一個大問題,因為LHC合作項目有非常嚴格的內部審查程序,我們可以確信,當作者報告“4.2個標準差的顯著性”時,他們的計算結果是正確的。

這意味著,偶然——因為數據中的隨機噪聲,而非存在一個真實粒子——產生如此大的峰值的概率只有0.0013%,也就是一百萬分之十三,這個數字真的很小。因此,這似乎是一個真實事件,而不是隨機的噪音。盡管如此,我們還無法證實這一發現。

數據說明了什么?

在LHC實驗中,科學家會加速質子(組成原子核的粒子)束,讓它們對撞在一起。通過監測已知粒子(如光子或電子)的不尋常堆積,來尋找新粒子的證據。之所以不直接探測像希格斯玻色子這樣“看不見的”重粒子,是因為這些粒子通常很不穩定,往往會分解(衰變)成更輕、更容易被探測到的粒子。因此,我們可以在實驗數據中尋找這些輕粒子,以確定它們是否是某種較重粒子衰變的結果。LHC通過這種技術發現了許多新的粒子,它們都符合標準模型。

這次新發現來自于CMS(緊湊μ子線圈)探測器的一項實驗,CMS記錄了大量的成對μ子(μ子與電子相似,但質量要大得多,是容易識別的粒子),然后分析這些μ子的能量和方向,并追問:如果這些成對的μ子來自于單個母粒子的衰變,那么這個母粒子的質量是多少?

在大多數情況下,成對的μ子通常有著不同的來源——來自于兩個不同的事件,而不是單個粒子的衰變。在這種情況下,如果試圖計算母粒子的質量,會發現它分散在廣泛的能量范圍內,而不是像此次數據中那樣在28 GeV(或其他能量)處產生一個狹窄的峰值。

但是這次的實驗數據看起來確實有一個峰值。也許,你可以仔細看看下面這幅圖,然后自己做出判斷。這是一個真實的峰值,還是由于背景上(虛線曲線)點的隨機散射造成的統計波動?

 此次實驗的數據圖。| 圖片來源:CMS Collaboration

如果這是真實的,那就意味著確實存在一個大的母粒子,在衰變時發射μ子,實驗探測到的μ子對中的一些只來自于這個母粒子——而且之前從未見過能量為28 GeV的粒子。

這一切看起來相當有趣,但歷史告誡我們要小心。這樣顯著的結果在過去也曾出現過,但是在獲得更多數據后就銷聲匿跡了。例如,之前LHC宣布他們在能量750GeV處發現了異常信號,并認為這或許是一個自旋為0粒子。但或許是因為設備故障、或是過分“熱情”的分析、又或者僅僅是運氣不好,之后信號便消失了。

之所以出現錯誤,部分是由于統計學中所謂的“別處效應”(look elsewhere effect):盡管只是觀察能量為28 GeV這一處,隨機噪聲產生一個峰值的概率只是一百萬分之十三,但是這樣的噪聲卻可能在圖像上的其他地方,也許在29 GeV或16 GeV處產生一個峰值。如果分別單獨考慮,這些噪聲是隨機產生的概率也很小,但是,這些小概率之和卻并不那么小(盡管事實上是非常小的數字)。這就意味著,峰值是由隨機噪聲產生的并非不可能。

還有一些令人困惑的方面。例如,當能量加倍時,在LHC的一輪運行中出現了能量尖峰,但是另一輪中并沒有。通常,當能量更高時,人們會預期任何新的現象也會隨之變得更大。這種能量峰值的時有時無或許是有原因的,但是就目前而言,這是一個令人不安的事實。

新的物理現實?

除了實驗結果的不確定,理論方面也更令人困惑。正如實驗粒子物理學家花時間尋找新的粒子一樣,理論物理學家花時間構想出新的、合理的粒子供實驗物理學家尋找:那些會填補標準模型缺失部分的粒子,那些解釋看不見的暗物質的粒子,或兩者兼而有之。但是沒有理論提出存在這種粒子。

例如,理論物理學家建議說,可能找到更輕版本的希格斯粒子,但這類物質不會衰變為μ子。人們也討論過輕的Z玻色子或重的光子,但是這些粒子會與電子相互作用,而電子很容易被探測到,如果是這種情況,我們應該早就發現了它們。潛在的新粒子與任何提議的粒子的性質都不匹配。

如果這種粒子真的存在,那么它不僅超越標準模型,而且是以一種無人預料過的方式超越。

但是,替代方案將不會是任何已經提議過的擴展標準模型的候選方案:包括超對稱、額外維度和大統一理論。這些理論都預言了新的粒子,但沒有一種粒子具有在此次實驗中看到的粒子的性質(如果是真實粒子的話)。這將是一種從未有人提出過的、非常怪異的粒子。

幸運的是,另一個LHC實驗——ATLAS從實驗中獲得了相似的數據,這個團隊仍在分析他們的數據,并將在適當的時候報告。

悲觀的過往經驗會說,他們將報告零信號,此次結果將加入眾多統計漲落的行列。然而,也許——僅僅是也許——他們真的會看到些什么。那么到時候,實驗物理學家和理論物理學家的生活會突然變得非常忙碌和有趣。


文:Roger Barlow(國際加速器應用研究所研究教授,哈德斯菲爾德大學)

原文標題為“Mystery particle spotted? Discovery would require physics so weird that nobody has even thought of it”,首發于2018年11月5日的The Conversation。

原文鏈接:

https://theconversation.com/mystery-particle-spotted-discovery-would-require-physics-so-weird-that-nobody-has-even-thought-of-it-106260。

中文內容僅供參考,一切內容以英文原版為準。

文章來源:原理


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