标准模型是物理学家描述基本粒子及其相互作用的精巧框架，但他们也清楚，这套理论并不完备。暗物质的存在等许多现象，仍是它无法回答的问题。然而，实验观测却一次又一次以更高精度验证着标准模型的预言。W玻色子质量异常曾被视为可能冲击这一框架的迹象，但随着后续研究推进，这一异常也逐渐得到解释。

欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）的一项新分析，为一个许久之前出现的偏离标准模型预言的结果提供了更强证据。它涉及一种名为B介子的粒子衰变为其他粒子的过程。相关论文已被《物理评论快报》（Physical Review Letters）接收。对粒子物理学家而言，这是目前所剩不多的无法解释的（异常）现象之一；他们正是在质子-质子碰撞产生的碎片中，寻找可能指向新物理理论的线索。

本文梳理CERN的大型强子对撞机底夸克（LHCb）实验最新发现，并介绍可能解释这些异常现象的奇异重粒子。

异常来自何处

LHCb 实验并不是直接寻找新的重粒子，而是捕捉它们可能留下的细微影响，包括它们以“虚粒子”形式短暂出现并影响粒子衰变的情况。为了寻找这些影响，研究人员分析了粒子在衰变后出现的频率和角度，以检查它们是否与标准模型的预测相符。新的分析研究的是一种B 介子的衰变过程。B 介子由一个底夸克和另一个较轻的夸克组成，它会衰变成另一种含有奇异夸克的介子，即K 介子，同时还会产生两个μ 子。μ 子可以理解为电子的较重“近亲”。研究人员发现，衰变最终产物飞出的角度与标准模型的预测结果并不一致。自2015 年以来，支持这一异常现象的证据一直在不断增加。

为何指向新物理

物理学家认为，这种B介子衰变，也就是所谓“企鹅衰变”，应该对尚未被发现的物理现象特别敏感。1977 年，英国理论物理学家约翰 · 艾里斯（John Ellis）在一次打赌失败后，被迫在下一篇论文中写入“企鹅”一词；恰好这类衰变的图示又有几分像企鹅，于是这个颇为古怪的名字便流传下来。这类衰变涉及一个量子环路：在这个过程中，一个底夸克会变成一个奇异夸克，中间会短暂地转变成一些“虚粒子”。按照量子物理的规律，即使某些粒子很重 ，而且不属于现有的标准模型，它们也有可能以“虚粒子”的形式短暂进入这个量子环路。虽然它们存在的时间极短，但仍然会影响衰变的结果——使最终产生的粒子表现出一些仅靠已知粒子无法解释的性质。由于这种衰变极为罕见，大约十亿个B介子中才有一个会以这种方式衰变，因此，新粒子造成的影响应该比在其他更常见的衰变中更容易被发现。在更常见的衰变中，这类信号往往会被大量背景信号淹没。

是否值得期待

这项分析纳入了LHC在2011 年至2018 年两轮运行期间积累的约6500 亿次衰变数据。研究发现，衰变产物角度的测量结果与标准模型的预测不一致，其显著性约为4 个标准差。爱丁堡大学粒子物理学家、LHCb 成员威廉 · 巴特（William Barter）表示，这意味着由普通标准模型过程中的随机噪声产生这一信号的概率大约只有一万六千分之一。他认为，这是近几年LHC上最有意义的结果之一。尤其令人兴奋的是，这一发现似乎也得到了另一个LHC实验紧凑渺子线圈（CMS）的初步支持。CMS也在这种B介子衰变中观察到了实验结果与理论预测不一致的现象，尽管其统计显著性较低。

不过，巴特补充说，这份兴奋仍须有所保留。原因在于，另一种涉及粲夸克的竞争性衰变过程也能产生与底夸克转变为奇异夸克时相同的最终产物。理论学家很难精确预测这些所谓“粲企鹅”会如何影响最终衰变产物的角度。理论研究表明，这类衰变不太可能完全解释实验结果与标准模型之间的偏差，但它的存在仍然提醒人们需要保持谨慎。

可能的最新解释

对此，有一种解释是认为存在一种名为Z′ 的粒子。在底夸克向奇异夸克转变的过程中，它可能作为虚粒子参与了B 介子的衰变。物理学家认为，这种粒子可能与一种尚未被发现的力有关。它与Z 玻色子有点类似。Z 玻色子是传递弱核力的两种粒子之一，而弱核力参与了放射性衰变过程。不过，英国剑桥大学理论物理学家本 · 阿拉纳赫（Ben Allanach ）表示，Z′ 粒子会比Z 玻色子更重，更倾向于与某些特定类型的粒子发生相互作用。他补充说，Z′粒子将传递一种能够区分不同粒子“味”（不同类型）的力。这一理论还可能有助于解释为什么标准模型中不同粒子的质量会相差得如此悬殊。

另一种可能性是存在一种轻子夸克。这是一种寿命很短的粒子，在高能状态下，被认为具有轻子和夸克两类粒子的特性。巴特表示，轻子夸克提供了另一种可能使底夸克转变为奇异夸克的机制，同时也可能导致实验中观察到的那些衰变角度。

标准模型面临的其他挑战

其他异常现象已经所剩无几了。长期以来，B 介子衰变成电子和μ 子的方式存在一个令人意外的差异，但随着更多数据加入，这一异常现象在2022 年消失了。2024 年，LHC的物理学家又打破了人们对另一个疑似异常现象的期待。这个异常现象最早是在两年前费米实验室的碰撞探测器实验（CDF）中观察到的。几十年来，物理学家还一直思考μ子在磁场中表现出的异常行为能否由新物理解释。不过，2023 年修订后的理论预测显示，那里可能并不存在需要解释的偏差。LHC上的实验还观测到过其他与标准模型预言不完全吻合的迹象，包括一些与B介子衰变有关的结果，也包括与赋予万物质量的希格斯场所对应的希格斯玻色子有关的结果。不过，阿拉纳赫表示，这些迹象的显著性都低于最新结果。

未来可能的进展

LHCb 实验的物理学家还没有分析完2018 年以来在对撞机上积累的大量企鹅衰变数据。巴特表示，既然初步分析已经完成，接下来的工作会更快推进，但新的结果最早也要到2027年才会出现。阿拉纳赫补充说，如果Z′粒子确实存在，而且质量不是太大，那么其他LHC 实验或许能够直接观测到它的衰变。尤其是在计划于2030年开始运行的升级版高强度对撞机投入使用后，找到这类信号的概率将进一步增加。

资料来源 Nature