粒子物理有望超越标准模型

LHC底夸克探测器图像源

几十年来，粒子物理学家一直渴望超越标准模型。尽管希格斯玻色子已经完成了标准模型的最后一块拼图，科学家们从未停止寻找标准模型以外的线索。现在，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)取得了新的突破，并被怀疑产生了新的粒子。2012年，是LHC发现了希格斯玻色子，即“上帝粒子”。

研究人员在实验中发现，B介子的衰变过程与标准模型的描述不一致。结合之前发现的其他线索，科学家可能已经捕捉到了新粒子的影子。西班牙巴塞罗那*大学的理论家乔基姆·马蒂亚斯说:“我们以前从未在标准模型中观察到一系列相互关联的偏差，这一系列偏差可以用一种非常简单的方式来解释:有一个新粒子。”马蒂亚斯认为，证据已经表明，这是一个重大发现，但其他同事仍然谨慎和观望。

费米实验室宣布发现顶部夸克后，证实了标准模型预测的61个基本粒子中的60个。唯一未被发现的粒子是希格斯玻色子。最后，欧洲核子研究中心的两个最大的探测器——阿特拉斯和CMS——独立地发现了希格斯粒子。然而，这一次新的线索被一个叫做LHCb(LHC底夸克探测器)的更小的LHC探测器发现了。LHCb的任务是精确监测已知粒子的衰变过程，尤其是B介子。

介子由夸克组成，夸克是基本粒子。熟悉的质子和中子是由夸克组成的。高能粒子的碰撞也会产生一些更重的夸克:魅力夸克、奇怪夸克、顶夸克和底夸克。这些夸克可以和反夸克一起形成介子。介子由一个反夸克和一个夸克组成。

虽然B介子只存在一万亿分之一秒，但科学家希望它的衰变过程能打开一扇窗户，看到新的物理世界。由于量子不确定性，内部湍流会影响它的衰变。如果B介子衰变过程中涉及任何新粒子，衰变速度和细节将偏离标准模型的预测。

这为人类间接发现新粒子提供了一种方法。在20世纪70年代，人们只知道上夸克、下夸克和奇夸克。物理学家预测了化身夸克的存在，因为他们发现介子(由一个奇夸克和一个反夸克组成的介子)的衰变过程有点奇怪。

最近，欧洲核子研究中心的LHCb研究人员报告说，他们发现当一个B介子衰变为K介子时，副产品与标准模型的预测有些不同。根据标准模型，衰变产生一个μ子和一个反μ子，或者一个电子和一个正电子，概率相等。然而，在实验中，他们发现概率分布是不均匀的:前者的出现频率低于后者。英国牛津大学的物理学家盖伊·威尔金森代表大型强子对撞机小组的770名成员说:“这个测量很重要，因为它在理论上应该非常一致。”

事实上，这个结果只是LHCb发现的六条看似一致的线索之一。早在2013年，他们就发现B介子衰变产生的粒子偏离了标准模型预测的角度。

所有这些异常都是不确定的。根据标准模型，当B介子衰变为K介子时，底部夸克将短暂地变成顶部夸克，然后变成奇数夸克。在这个过程中，底部的夸克需要释放并重新吸收一个W玻色子(W玻色子是一个传递弱相互作用力的粒子)。

然而，最新的实验数据表明，底部的夸克可能直接变成一个奇怪的夸克——这种变化在标准模型中是不可能发生的，而这种变化是通过释放一种不同于标准模型的新粒子，即Z’玻色子来实现的。这一假设的新粒子将是第一个标准模型之外的粒子，并将为理论增加新的力量。

此外，这个额外的衰变过程将减少μ子的形成，从而解释这种异常现象。"这听起来像是一种解释，但这个假设确实符合实验数据."辛辛那提大学的理论家沃尔夫冈·奥尔特曼霍夫说。其他科学家假设存在夸克和电子的混合体，轻子夸克，并提供了另一种解释这些偏差的方法。

当然，这种偏差也可能是实验数据波动造成的幻觉。ATLAS和CMS的研究人员怀疑在18个月前发现了一种新粒子，却发现他们缺乏足够的实验数据。Altmannshofer说，目前的信号和以前的信号一样强。

但是它们之间也有差异。" ATLAS和CMS主要是为了发现新事物，而LHCb更多的是为了补充."马蒂亚斯说。

如果玻色子或轻子夸克真的存在，LHC可能会通过碰撞找到它们，即使它们存在的时间很短。LHC在冬季关闭后即将恢复工作。粒子探测器将于下月返回岗位。(张张编)

《中国科学日报》(2017-04-25，第三版国际版)