澎湃新聞記者 虞涵棋 蔣晨悅
2017-04-19 21:50 來源：澎湃新聞
即使2012年發現的「上帝粒子」希格斯玻色子完成了標準模型的最後一塊拼圖，又一次證明了現代粒子物理學的這一基石的靠譜性，科學家們也從未停止尋找標準模型以外的線索。
近日，發現希格斯玻色子的歐洲核子中心（CERN）有了新突破：研究人員在實驗中發現B介子的衰變過程與標準模型描述不符，疑似有新粒子產生。當地時間4月18日，發現這一偏差的科學家們在CERN作報告時這樣宣布。
LHCb（LHC底夸克偵測器）雖然這個發現本身不足以成為獨立的證據，但結合此前發現的其他線索，科學家們或許已經捕捉到了新粒子模糊的身影。巴塞隆納自由大學的Joaquim Matias說，「此前我們從未觀察到標準模型出現一系列相互關聯的偏差，而這一系列偏差又可以用一個非常簡單的方式解釋：存在一種新的粒子。」Matias認為這已經是個大發現了，其他同行卻還持謹慎觀望態度。
標準模型與61種基本粒子標準模型是現代粒子物理學的基石，涉及四種基本力中的三種：電磁力、強作用力、弱作用力，及組成所有物質的基本粒子。它以夸克模型為結構載體，解釋和描述了基本粒子的特性及相互間的作用。
標準模型預測的基本粒子1995年，美國費米實驗室宣布發現了頂夸克（Top Quark），這是標準模型所預言的61種基本粒子中，第60種被實驗證實的。剩下的唯一未被發現的粒子就是希格斯玻色子。
最終，歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）找到了這最後一塊拼圖。2012年，CERN兩個最大的實驗組， ATLAS組和CMS組，分別獨立發現了希格斯粒子。2013年的諾貝爾物理學獎也授予了希格斯玻色子的理論預測者，比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學家彼得·希格斯。
不過，這次發現新線索的並非ATLAS或CMS，而是LHC一個規模較小的偵測器，名叫LHCb（LHC底夸克偵測器）。LHC共有5個偵測器，其中較大的超環面儀器 （ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）致力於通過刷新能量上限來偵探新粒子，剩下的三個都是較小型的特殊目標偵測器。LHCb的任務是精確監測已知粒子，尤其是B介子的衰變過程。
B介子的「不正常」衰變B介子是由夸克這種基本粒子構成的。人們更熟悉的質子和中子就是由3個夸克構成的，其中1個質子包括2個上夸克和1個下夸克，1個中子則包括2個下夸克和1個上夸克。而高能粒子對撞還會產生一些更重的夸克：魅夸克、奇夸克、頂夸克和底夸克。這些夸克可以和反夸克一起組成介子。B介子就由1個反底夸克和1個夸克（可能是上夸克、下夸克、奇夸克和魅夸克中的一種）組成。
B介子只會存在一萬億分之一秒。科學家們希望在它的衰變過程中窺見新的物理世界的大門。如果在B介子衰變過程中，有任何新的粒子介入，衰變的速度和細節都會偏離標準模型的預測。這就為人類提供了一種間接發現新粒子的方法。20世紀70年代，人們還只知道上夸克、下夸克和奇夸克，物理學家就是因為發現K介子（由1個奇夸克和1個反夸克組成的介子）的衰變過程有點奇怪，預測了魅夸克的存在。
標準模型下粒子間的相互作用當地時間4月18日，LHCb的科學家們在CERN作報告時宣布，他們發現其中一種B介子衰變為K介子時，副產物和標準模型預測的有所偏差。根據標準模型，衰變要麼產生1個μ子和1個反μ子，要麼產生1個電子和1個正電子，概率是均等的。但在實驗中，他們發現概率分布並不均勻：前者發生的頻率要小於後者。牛津大學的Guy Wilkinson代表LHCb組的770個成員說道，「這個測量結果很重要，因為在理論上應該是非常均勻的。」
除此之外，LHCb組還發現了5個與此一致的線索。早在2013年，他們就發現B介子衰變時產生的粒子偏離了標準模型預測的角度。
按照標準模型，在B介子衰變為K介子時，底夸克會先短暫地變成頂夸克，再變成奇夸克。在這個過程中，底夸克需要先放出一個W玻色子，再重新吸收一個W玻色子（W玻色子是一種傳遞弱相互作用力的粒子）。
但LHCb組的最新實驗數據暗示，底夸克可能是直接變成奇夸克的——一個在標準模型中不可能發生的變化。一部分科學家們假設，這種變化是通過放出一種標準模型以外的新粒子，即Z9玻色子實現的。這個額外的衰變過程會減少μ子的形成。「這聽起來像是為解釋而解釋，但這種假設確實完美地對應上了實驗數據。」美國辛辛那提大學的Wolfgang Altmannshofer說道。另一些科學家則假設存在一種夸克和電子的雜交體，輕子夸克（Leptoquark）。
B介子衰變為K介子的過程偏離了標準模型當然，這種偏差也可能是由實驗數據的波動導致的幻覺。18個月之前，ATLAS組和CMS組就疑似找到了一種新粒子，最後發現他們只是缺乏足夠的實驗數據。
如果Z9玻色子或輕子夸克真的存在，LHC就可能通過對撞找到它們，雖然它們存在的時間會非常短，Matias說道。停工了一個冬天之後，LHC即將恢復工作。下個月，那些粒子偵測器就會回歸崗位。
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