標準模型作為一個行之有效的理論，主導了近幾十年來粒子物理的發展。然而，粒子物理學家一直渴望發現存在於標準模型以外的新物理現象。近日，他們終於在大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中發現了新的粒子可能存在的證據。
圖 | LHCb實驗正是依靠這個極為精密的頂角探測器來發現B介子的微小衰變
作為世界上最大的粒子加速器，坐落於瑞士日內瓦郊外的大型強子對撞機隸屬於歐洲核子中心（Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire，CERN）。大型強子對撞機通過加速質子到一個極高的能量後產生碰撞，得到新的粒子，再採用兩個大型探測器，ATLAS和CMS，對新的粒子進行檢測。
除了兩個大型探測器外，還存在一個小型探測器，LHCb。其功能是精確探測一類相似的粒子，包括這次發現的B介子的衰變過程。2012年在科學家們曾利用其大型探測器發現了希格斯玻色子，完善了標準模型的最後一片拼圖，自此之後，再沒有新的粒子被發現過。
圖 | 發現希格斯玻色子的碰撞過程示意圖
此次所發現的最新信號包含了B介子衰變的偏差信息。儘管僅有這一證據還不能夠支撐結論，但結合其他證據後，這一新發現可能預示著高能領域中的一個新的粒子的存在。來自巴塞隆納的理論物理學家Matias表示：「觀測到的B介子的衰減出現相干偏差的這組數據在過去的實驗中從未出現過。而對這一現象最好的解釋就是有一種新的粒子存在。」Matias認為，新粒子存在的證據已足夠充足，但其他同行認為新理論還有待檢驗。
圖 |Joaquim Matias
B介子由基礎粒子——夸克組成。近似的質子和中子由兩種夸克組成，上夸克和下夸克，三個束縛在一起。在高能粒子碰撞中，這些夸克與其對應的反物質夸克一起，可以生成更重的夸克—粲夸克、奇夸克、頂夸克和底夸克。這些重夸克與其反夸克結合生成介子。
圖 | 原子構成示意
B介子千分之一納秒的壽命使得觀測新物理現象成為可能。根據量子力學不確定性原理，B介子的內部受到飛進飛出的粒子影響，導致其衰變受到影響。即使是那些大型強子對撞機所無法產生的新的大粒子，當其與B介子內部結構作用時，也會影響B介子衰變速率和細節偏離於標準模型的預測。
該方法作為一種間接發現新粒子的方法，經實驗檢測是行之有效的。早在上世紀70年代，在僅有上夸克、下夸克和奇夸克被知道的情況下，物理學家通過發現K介子衰減的其特性預測了粲夸克的存在。其中，K介子是一類包含有一個奇夸克束縛於反夸克的介子的總稱。
圖 |B介子在碰撞中破碎
在當天的CERN的一次討論中，LHCb的物理學家聲稱，從他們最新的實驗成果中發現，當一種B介子衰變為一個K介子時，這個過程產生的副產品的機率具有明顯的非均勻性，即衰變過程產生μ子（與電子類似）和反μ子的機率要小於產生電子和正電子的機率。然而，根據標準模型的預測，兩機率應是相同的。LHCb團隊的發言人，牛津大學物理學家Guy Wilkinson表示，「這個測量結果非常有意義，因為在理論上來說，兩個機率應是嚴格相同的。」
這項測量結果僅是LHCb物理學家所發現6個證據的其中之一。雖然這些證據都很微弱，但它們較為一致。比如，早在2013年時，物理學家發現，粒子在B介子衰變過程中出射的角度與理論預測不也是嚴格相符的。
然而，這些反常現象指向的具體模型則不那麼確定。在標準模型中，B介子衰變到K介子的過程是一個「環形」過程，即底夸克反轉為頂夸克然後變為奇夸克。在這個過程中，需要釋放然後再吸收一個W玻色子。W玻色子又可被稱為「作用力粒子」，它可傳遞弱相互作用。
圖 |W玻色子放射衰變概念圖
新的數據顯示，底夸克可能直接漸變為奇夸克，並放出一個新的粒子，Z9玻色子。然而，這一過程是在標準模型中是禁止發生的。Z9玻色子，這一假設中的Z玻色子家族的新成員，將會是標準模型以外第一個新粒子，並將在現有的理論中增添一種新的力。這一額外的衰變過程可以降低衰變過程中μ子的數量，進而解釋這一異常現象。
「雖然這像是一種臨時理論，但卻可以很好的對數據進行擬合。」來自俄亥俄州的理論物理學家Wolfgang Altmannshofer說到。還有物理學家提出另一種新物質，輕子夸克。即「環形」過程中產生了輕子夸克，也可解釋這一異常現象。
圖 |Wolfgang Altmannshofer
當然，這一新的物理發現也可能是實驗數據波動的幻覺。ALTLAS和CMS的物理學家在18個月前就曾報導，新型重粒子的證據隨著觀測數據量的增加而消失。而Altmannshofer表示，目前這些證據的可信度與前的那些證據的可信度類似，他們也可能面臨相同的情況。
物理學家使用LHCb搜尋到新粒子的證據無疑是強調了LHC沒能實現其發現新粒子的本職工作。「ATLAS 和CMS是被設計用來發現新粒子的探測器，而LHCb則應更多的起到補充的作用，」Matias說到，「但事實就是事實。」
如果Z9玻色子或是輕子夸克存在，那麼LHC將有機會將其對撞出來，儘管它們的壽命可能非常短暫。LHC目前正在進行冬日關閉後的恢復工作。下個月，這些新粒子探測器將就位。