希格斯粒子之後又一新粒子?大型強子對撞機探測到不明信號

2020-12-07 網易手機

大型強子對撞機位置與結構示意圖

不明信號

科學家們所作的所有這些努力可能並不會白費，因為就在瑞士日內瓦的歐洲核子中心(CERN)辦公室和走廊裡，這裡的氣氛正越來越多地被興奮的情緒所籠罩，人們在熱烈討論著關於在大型強子對撞機的粒子對撞數據中出現的一個不明信號。

大型強子對撞機將兩束質子流進行高速對撞，隨後科學家們在撞擊產生的「粒子碎屑」中搜尋有無未知的粒子種類。

就在去年，在數以萬億計的此類對撞案例中，科學家們注意到期間產生的光子數量比理論計算地數量更多，用物理學家們的話來說，就是出現了一個「峰」。如果說的更加具體一些，那就是，科學家們發現總質量為750 GeV的光子對的數量偏多了。

這可能暗示著存在一種新的，未知的大質量粒子，其質量要比CERN在2012年發現的希格斯-玻色子大出6倍。

如果能夠證明科學家們的確發現了一種新的粒子，這將是一件極其令人興奮的消息，因為目前為主流科學界所廣泛接受的粒子物理學基礎理論，也就是著名的「標準模型」並無法解釋我們在周圍的世界裡所目睹的一切現象。

比如說，標準模型中找不到關於暗物質的解釋，這種神秘物質構成了我們所處宇宙的24%。因此，歐洲核子中心的科學界們一直在致力於探尋那些可能會將我們引向對宇宙更深邃認識的新的物理現象。

自從2008年9月投入運作以來，不斷有疑似信號出現然後再被否定。這樣的數據誤差是預期之內的，並且在通常情況下，隨著越來越多後續數據的湧入，這樣的疑似信號很快就會消失。

大型強子對撞機安裝的另外一臺探測器ATLAS。這臺探測器與另外一臺探測器CMS都檢測到了750 GeV的信號，引發人們的各種想像

還無法斷言

英國曼徹斯特大學粒子物理學主管史蒂芬·索德納-雷姆邦德(Stefan S?ldner-Rembold)教授指出：「我們需要更多數據來確認這個信號不會逐漸消失，而在那之前我們必須非常謹慎。人們現在之所以興奮，是因為兩臺探測器(Atlas 和 CMS)的數據中都出現了這個信號，並且位置也幾乎一樣。但即便如此，我們仍然還不能下定論。」

在粒子物理學上，宣布一項新發現是有統計學門檻的，也就是人們所說的「5個西格瑪」。這一標準對應的統計學意義是：某一信號是假信號的可能性低於350萬分之一，這一機率大致相當於你投擲22次硬幣，其中連續21次都是同一面朝上。

目前，針對這一異常情況，在論文預印本網站Arxiv上已經有科學家上傳了一些論文試圖進行解釋。不過，就在過去的幾個星期內，有傳言稱隨著更多數據得到分析，這一異常信號正出現消退的跡象。

等到今年夏末，大型強子對撞機實驗組計劃在美國芝加哥召開的一次會議上發布最新結果，其中將包含比現在多得多的數據。實際上，根據歐洲核子中心的消息稱，大型強子對撞機在2016年內採集的數據量目前已經超過了2015年全年的數據量。

因此，接下來的數周時間對於判斷這個750 GeV信號是否的確是真實信號至關重要，或許它只是一個假信號？目前不能排除這一可能性。

不過，如果這的確是真實信號，那麼我們實際上已經對它的某些基本性質已經有了一些了解。比如說，如果這種粒子的確存在，那麼我們知道它會衰變為兩個光子，另外，它的粒子自旋數一定是0或者2。在物理學中，粒子自旋是基本粒子所具備的量子特性之一，這種性質具有很多重要的實用意義，比如應用於核磁共振成像技術(MRI)。

如果這種粒子的自旋為0，就像希格斯-玻色子，那麼它就有可能是2012年發現的這種被稱作「上帝粒子」的神秘粒子的近親，只是質量更大一些。

而另外一種可能性，如果這個粒子的自旋數為2，那麼這就容易讓人聯想到引力子，這是一種目前還純粹停留在理論層面上的粒子類型，它賦予物質第四種力的作用，那就是引力。引力是物理學中的一個大謎團，目前仍然無法在標準模型中找到相應的解釋。

但一些物理學家對於使用引力子概念來解釋引力持有懷疑態度，並傾向於尋找其他方式對自然界的這第四種基本力進行解釋。

在數以萬億計的此類對撞案例中，科學家們注意到光子數量比理論計算地數量更多，用物理學家們的話來說，就是出現了一個「峰」。如果說的更加具體一些，那就是，科學家們發現總質量為750 GeV的光子對的數量偏多了

超對稱理論的死刑？

很多在大型強子對撞機工程工作的物理學家長期以來致力於對一種較為主流的，被稱作「超對稱」的理論進行探索。該理論認為那些存在於標準模型中的粒子類型應該都擁有一個對稱的粒子，只是目前還尚未被發現。根據這一理論，希格斯粒子(Higgs)的超對稱粒子被稱作「Higgsino」， 膠子(gluon)的超對稱粒子被稱作「gluino」，以此類推。

但不管這個750 GeV的信號究竟是什麼，物理學家們相當確信的是，它應該不會是首個被發現的超對稱粒子。索德納-雷姆邦德教授指出：「發現某種現有物理學理論無法解釋的東西是非常令人興奮的，因為這就意味著存在著某種尚未被理解的基本理論。」

如果這一信號最終被認為為一種新粒子的發現，那麼它將不會是孤立的。

索德納-雷姆邦德教授表示：「在理想情況下，如果這一信號最終被證實，那麼其他新的粒子也有可能以類似的方式被識別出來。」

超過1000枚偶極磁鐵將兩束粒子流加速到接近光速的速度並實現對撞

到目前為止在大型強子對撞機項目中還尚未發現任何超對稱現象存在的跡象，這一結果已經導致該理論的某些簡化版本被排除，其餘版本也正面臨著巨大壓力，甚至很多人認為整個超對稱理論都正面臨著生死分界。不過，也有物理學家們指出，大型強子對撞機到目前為止所作的探索還遠沒有到能夠徹底排除超對稱理論可能性的地步，還需要未來進一步的研究。

索德納-雷姆邦德教授指出：「超對稱並非人們突發奇想得出來的，它能夠對標準模型中一些無法解決的問題給出合理解釋。」因此，他認為我們當前還不能草率地拋棄超對稱理論。

但不管這個750 GeV的信號最終被證實或者排除，科學家們都強調指出，大型強子對撞機是一個長期項目，在未來數十年內都將繼續開展探索工作。

儘管當初找到希格斯-玻色子的工作相對順利，很快就有了結果，但這並非常態，並非每年都能出現這樣重大的進展。或許我們應該接受這樣一種現實，那就是宇宙還不打算這麼快就向我們展示自己全部的秘密。

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