大型强子对撞机上的粒子粉碎实验给出的结论正在逐渐得到证实，我们现在终于可以见识到这股新的力量及其背后更深层次的现实理论。物理学家哈利 · 克利夫 这样说道。
2021年1月20日，这是漫长冬日中的一个阴天。晚上6点30分，一个科研小组召开视频会议，共同度过了这个可能永远改变物理学的时刻。“我当时真的在发抖。”伦敦帝国理工学院的米蒂什 · 帕特尔（Mitesh Patel）说道。他和他的团队即将在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室揭晓众人期待已久的LHCb实验的测量结果。这一结果很可能会在最后推翻标准模型——我们目前描述自然界基本运作法则的最佳模型。
实验的重点观测对象是一种被称为“美夸克”或“底夸克”的亚原子粒子。在之前的几年里，这类夸克的表现让我们愈发坚定地认为，某种未知力量是存在的。在这个至关重要的时刻，我们迫切需要更多的观测结果。如果这类夸克的实际表现确实与观测结果相同，那么我们不仅将会看到一种未知的自然力的影响效果，而且很可能还会看到一套全新的、统一的粒子及力学理论的框架。
这是一个很大胆的假设——许多粒子物理学家都很难下定决心支持这个观点，包括我自己。“我从未见过这样的实验结果，”瑞士苏黎世大学理论物理学家吉诺 · 伊西多里（Gino Isidori）说道，“我这辈子从来没有像现在这样兴奋过。”
尽管粒子物理学的标准模型在描述我们宇宙的基本构成时取得了各种令人目不暇接的丰硕成果，但它也有不足之处。标准模型无法解释暗物质，一种阻止星系飞散的不可见物质。它也无法解释推动宇宙加速膨胀的暗能量。标准模型并不能告诉我们，物质为什么没有与等量的反物质湮灭，而是在宇宙大爆炸后幸存了下来。更重要的是，标准模型中有几个关键结论显得过于武断，需要更深入的解释才能自洽。显然，标准模型还并不完备。为了完成这个模型，我们首先需要打破它。
美夸克的传奇故事始于21世纪初。当时，德国慕尼黑大学理论物理学家古德伦 · 希勒（Gudrun Hiller）正试图从日本贝尔实验和加利福尼亚巴巴尔实验的大量数据中探寻新的发现。这些“B介子工厂”通过将电子与其反粒子（即正电子）碰撞，来产生美夸克。美夸克的存在时间极短——平均为1.5万亿分之一秒——之后就会衰变成其他粒子。
奇怪的美夸克
希勒对一种极其罕见的衰变过程特别感兴趣。在这种衰变中，美夸克会变成奇异夸克，这种夸克在六种夸克中重量排名第三。
在这一过程中，美夸克发射出两个带相反电荷的μ子，即一种“加重版”的电子。这种罕见的衰变是非常有价值的，因为此类过程可能会受到某种未知力的强烈影响。我们希望对这种衰变进行最精确的测量，并将结果与理论物理学家使用标准模型所能得出的最精确的预测进行比较。如果两者不一致，我们就掌握了某种新的未知力存在的证据。
问题是，对于美夸克衰变成奇异夸克并放出两个μ子的过程所需要的时间，理论预测给出的结果受到量子色动力学（QCD）不确定性的困扰。量子色动力学是一种关于夸克如何在标准模型中相互作用的理论。这使得理论结果很难与实验测量结果进行有意义的比较——任何一点差异都可能归结为理论预测的不确定性。“我们碰壁了。”希勒说。
她和同事弗兰克 · 克鲁格（Frank Krüger）并没有气馁。他们意识到，还有另一种与之类似但放出电子的衰变，如果我们测量的是这两种衰变发生频率的比值，就可以消除QCD令人讨厌的不确定性。两次衰变的频率比值可以通过非常精确的预测得出结果——但这一结果只适用于以不同强度对电子和μ子作用的力。这是一次不大可能成功的尝试。所有已知的力对这两种粒子的作用效果都是相同的，并且我们假设，哪怕存在尚未被发现的力，其情况也应当是如此。这意味着希勒和克鲁格测量比值的想法不会产生什么新的成果。
十年之后，在欧洲核子研究组织的大型强子对撞机（LHC）的粒子对撞实验中，相当多的美夸克诞生了。LHCb对这些夸克进行了记录和分析。总长27公里的环形加速器位于法国与瑞士边境的地下，它包括了四个大型粒子探测器，LHCb是其中的一个。现在，物理学家终于可以开始仔细研究这些最罕见的衰变。与此同时，一些有趣的异常现象出现了。
首先，早期的观测结果表明，产生一个奇异夸克和两个μ子的衰变，发生频率低于标准模型预测的频率。之后，LHCb实验于2013年利用一种新的测量手段分析了这些衰变中产生的粒子飞出的角度。这一次的结果与标准模型的偏差变得更大。不过，理论还是存在较大的不确定性，因此这一结果依然值得讨论。
希勒和克鲁格想要测量的比值会对此有所帮助吗？2014年，LHCb发布了首个测量结果，比较了美夸克衰变成μ子和电子的频率。出乎所有人意料的是，数据结果再一次违背了标准模型。美夸克衰变为μ子的频率似乎低于衰变为电子的频率。通过分析可以得出结论，偏差纯粹归因于数据统计波动的可能性约为1%。这个结果远远无法达到发表粒子物理领域成果所需的黄金标准统计显著性，即结果为偶然事件的可能性不到三百五十万分之一。
巨大的偏差
尽管如此，结合μ子与电子的比值、角度测量值以及衰变发生频率的测量值来看，这些结果确实有可能存在彼此契合的可能性。在这之后，在几乎每一次的测量中，更新的美夸克数据越多，结果与理论的偏差就越大。
不过，还是存在一个值得注意的例外。2019年，对希勒-克鲁格比值的测量给出了更多的数据，而结果开始接近标准模型给出的数值。“我们一度真的认为自己有了新的发现，”领导这项工作的帕特尔说，“可结果令人失望。”因此，当帕特尔和同事于2021年1月通过视频会议公布全新的测量结果时，大家的情绪都十分高涨。
剑桥大学的实验物理学家保拉 · 卡尔特列（Paula Alvarez Cartelle）公布了结果。测量的比值几乎完全相同，但误差与之前相比要更小。结果与标准模型的预测值之间存在明显的差异。这种差异只有不到千分之一的可能是统计上的误差。参会的每个人都极其兴奋。“现场的惊叹声不绝于耳。”帕特尔说。然而，大家也感受到了责任的重量。他们知道这一结果会带来巨大的反响。正如卡尔特列所说：“你会忍不住去想，‘我刚刚推翻了标准模型！’，但同时又会感受到一点压力。”
标准模型：会有新增内容吗
粒子物理学标准模型给出了一系列基本粒子，它们可以解释所有可见物质以及三种基本力，除了第四种——引力。
如果美夸克衰变过程中的异常现象得到证实，那么这可能是我们第一次观察到新的携力粒子。它可以解释为什么物质粒子分为三代，每一代都比上一代重——它甚至可能通过对轻子和夸克的作用而使两者统一起来。
这样的异常结果可能就是事实
异常现象在粒子物理学中并不罕见。对μ子-电子比值的测量还没有超过统计确定性的门槛，因此还不能被认为是一个明确的发现。但是，这种“B异常”现象存在一致性，从而导致越来越多的物理学家认为这样的结果是可信的。“我相信这一结果，”剑桥大学的理论物理学家本 · 阿拉纳赫（Ben Allanach）说，“虽然还有值得怀疑的地方，但从不同的角度出发，得到的结论却相同，这是非常有说服力的。”
那么，是什么原因导致了这种异常结果？在过去的几年里，阿拉纳赫一直试图弄清楚这一点。在他看来，最有希望的候选者是一种被称为Z prime的假想粒子所携带的力。这种粒子质量很大，呈电中性，并且最关键的是，它会与电子和μ子产生不同强度的相互作用。这可以解释为什么美夸克衰变成μ子的频率比衰变成电子的频率要低——Z prime粒子阻止了这一过程的发生。
这也可以解释标准模型中最神秘、看上去最武断的特征：物质粒子有三代。第一代包括我们熟悉的组成各类物质的粒子：电子、电子中微子和上、下夸克。第二代则是这些粒子的更重的版本：μ子、μ子中微子、粲夸克和奇异夸克。第三代比第二代更重：τ子、τ子中微子、顶夸克（又叫真夸克）和美夸克。
长期以来，这几代粒子的存在与否一直成谜。物质粒子的质量可能相差极大，例如顶夸克比电子要重约35万倍。这样的事实令人感到十分奇怪。
如果美夸克的异常现象可以揭示某种几乎只作用于第三代粒子的新作用的存在，就可以解释不同代粒子之间的差异。“我正在研究的模型拥有一种对称性，这意味着如果你愿意接受的话，可以认为只有第三代粒子具有质量。” 阿拉纳赫说——这能够解释为什么这些粒子的质量如此之大。
这种新力量的影响还不止于此。20世纪下半叶，物理学家发现标准模型所描述的三种基本性质力——强力、弱力和电磁力——都可以利用数学上的对称性来描述。20世纪70年代时，科学家们努力尝试，希望将三种力利用一种更宏观的对称性结合为一体，从而创造一种所谓的大统一理论。在这一理论的框架下，力和物质粒子可以统一为一个简洁优雅的整体结构。
但问题在于，大统一理论预测质子应该衰变，可是并没有实验观测到过这一迹象。更重要的是，探测理论预言的结果所需的能量甚至比LHC所能提供的能量还要高出一万亿倍以上，这意味着他们预测的新粒子远远超出了实验的测量范围。因此，将力和物质粒子统一为整体的研究工作已经停滞了几十年。
B异常现象令之前的大统一理论重获生机，并且探测所需的能量远低于所有人的预期。“我们在理论中加入了一点对称性——这是大统一理论的一个基本要素，但只占其中很小的一部分。”阿拉纳赫说。他认为，我们目前隐约察觉到的这种新力量，可能是一种更大的对称性的低能量残余，因此它只有在非常高的能量下才会变得明显。换句话说，我们可能触碰到了大统一理论的边缘。
希勒开创了对B异常现象的另一种解释。这种解释甚至更进了一步——它给出了轻子夸克的新概念。同样，轻子夸克是这种新力量的载体。这种力可以将夸克直接转化为轻子，包括电子、μ子和τ子——这也是这种粒子得名的原因。
与Z prime粒子模型不同，轻子夸克模型还可以用来解释美夸克衰变为粲夸克时出现的另一种异常现象。在这一模型下要想验证大统一理论，需要的能量量级更接近我们目前的实验能力。
第四种颜色——紫色
伊西多里是轻子夸克模型的支持者。按照他的说法，与之前的大统一理论相比，这一模型代表了“研究范式的改变”。虽然之前的模型致力于寻找将三种力统一起来的对称性，但轻子夸克模型却可以将轻子与夸克统一起来，其关键思路与标准模型不同。在标准模型中，作用在夸克上的强力，具有类似于电荷的性质，我们称之为“颜色”。颜色有三种，分别为红色、绿色和蓝色。轻子不具有颜色，因此不会受到强力的作用。然而，在轻子夸克模型中，存在第四种颜色，有时我们将其称作紫色，它源于描述强力的一种更宏大的对称性。这种更大的对称性可以分解为通常的红色、绿色和蓝色的三色强力，由夸克携带。以及第四种颜色，由轻子携带。实际上，轻子只是一种不同颜色的夸克。
这是个令人振奋的想法——但现在的挑战是，如何证明这样的异常是真实的。伊西多里已经确信了这一观点。“对我来说，证据已经非常可靠。”他这样说道。但并非所有人都对此表示同意。尽管考虑到异常现象具有明显的差异性，许多统计误差现在似乎不太可能得到解释，但目前的问题在于，无论是理论预言还是实验测量，都仍然可能还有被忽视的偏差存在。
LHCb已经开始了新的测量工作，以确认并测试隐藏的实验效应。2021年10月，我和剑桥大学的同事约翰 · 史密顿（John Smeaton）利用LHCb数据样本中未开发的部分对希勒-克鲁格比值进行了新的测量。测量显示的效应与三月份时测得的结果非常相似。这强有力地支持了新力量存在的结论。
与此同时，对异常现象的研究热潮唤醒了LHC的两大野兽——ATLAS和CMS探测器。2012年，它们发现了希格斯玻色子，一种早前预测的标准模型粒子，它赋予了所有其他基本粒子以质量。现在，它们开始探测预言中的Z prime粒子和轻子夸克。在日本，Belle II实验正在不断积累数据，以期能够独立检查LHCb的实验结果。今年晚些时候，升级后的LHCb将以更快的速度收集数据，帮助我们寻找更罕见的衰变形式，以及其中可能存在的更明显的异常现象。
如果这一全新图景得到证实，我们对自然界本质的理解会发生革命性的转变，这将揭示标准模型之下的更深层次的结构，甚至可能促使我们理解暗物质的本质，或是希格斯玻色子的奇特性质。这将是自标准模型建立以来基础物理学领域中最伟大的发现。赌注很高，而游戏仍在继续。
资料来源 New Scientist
————————
本文作者哈利·克利夫（ Harry Cliff ）是剑桥大学物理学家，也是科普作家。
