即使2012年發(fā)現(xiàn)的“上帝粒子”希格斯玻色子完成了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，又一次證明了現(xiàn)代粒子物理學(xué)的這一基石的靠譜性，科學(xué)家們也從未停止尋找標(biāo)準(zhǔn)模型以外的線索。

近日，發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)B介子的衰變過程與標(biāo)準(zhǔn)模型描述不符，疑似有新粒子產(chǎn)生。當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月18日，發(fā)現(xiàn)這一偏差的科學(xué)家們在CERN作報(bào)告時(shí)這樣宣布。

雖然這個(gè)發(fā)現(xiàn)本身不足以成為獨(dú)立的證據(jù)，但結(jié)合此前發(fā)現(xiàn)的其他線索，科學(xué)家們或許已經(jīng)捕捉到了新粒子模糊的身影。巴塞羅那自由大學(xué)的Joaquim Matias說，“此前我們從未觀察到標(biāo)準(zhǔn)模型出現(xiàn)一系列相互關(guān)聯(lián)的偏差，而這一系列偏差又可以用一個(gè)非常簡單的方式解釋：存在一種新的粒子。”Matias認(rèn)為這已經(jīng)是個(gè)大發(fā)現(xiàn)了，其他同行卻還持謹(jǐn)慎觀望態(tài)度。

標(biāo)準(zhǔn)模型與61種基本粒子

標(biāo)準(zhǔn)模型是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的基石，涉及四種基本力中的三種：電磁力、強(qiáng)作用力、弱作用力，及組成所有物質(zhì)的基本粒子。它以夸克模型為結(jié)構(gòu)載體，解釋和描述了基本粒子的特性及相互間的作用。

1995年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克（Top Quark），這是標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的61種基本粒子中，第60種被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的。剩下的唯一未被發(fā)現(xiàn)的粒子就是希格斯玻色子。

最終，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）找到了這最后一塊拼圖。2012年，CERN兩個(gè)最大的實(shí)驗(yàn)組， ATLAS組和CMS組，分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也授予了希格斯玻色子的理論預(yù)測者，比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學(xué)家彼得·希格斯。

不過，這次發(fā)現(xiàn)新線索的并非ATLAS或CMS，而是LHC一個(gè)規(guī)模較小的偵測器，名叫LHCb（LHC底夸克偵測器）。LHC共有5個(gè)偵測器，其中較大的超環(huán)面儀器 （ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）致力于通過刷新能量上限來偵探新粒子，剩下的三個(gè)都是較小型的特殊目標(biāo)偵測器。LHCb的任務(wù)是精確監(jiān)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(gòu)成的。人們更熟悉的質(zhì)子和中子就是由3個(gè)夸克構(gòu)成的，其中1個(gè)質(zhì)子包括2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克，1個(gè)中子則包括2個(gè)下夸克和1個(gè)上夸克。而高能粒子對(duì)撞還會(huì)產(chǎn)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(gè)反底夸克和1個(gè)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(huì)存在一萬億分之一秒。科學(xué)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(xì)節(jié)都會(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測。這就為人類提供了一種間接發(fā)現(xiàn)新粒子的方法。20世紀(jì)70年代，人們還只知道上夸克、下夸克和奇夸克，物理學(xué)家就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)K介子（由1個(gè)奇夸克和1個(gè)反夸克組成的介子）的衰變過程有點(diǎn)奇怪，預(yù)測了魅夸克的存在。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月18日，LHCb的科學(xué)家們在CERN作報(bào)告時(shí)宣布，他們發(fā)現(xiàn)其中一種B介子衰變?yōu)镵介子時(shí)，副產(chǎn)物和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的有所偏差。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，衰變要么產(chǎn)生1個(gè)μ子和1個(gè)反μ子，要么產(chǎn)生1個(gè)電子和1個(gè)正電子，概率是均等的。但在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)概率分布并不均勻：前者發(fā)生的頻率要小于后者。牛津大學(xué)的Guy Wilkinson代表LHCb組的770個(gè)成員說道，“這個(gè)測量結(jié)果很重要，因?yàn)樵诶碚撋蠎?yīng)該是非常均勻的。”

除此之外，LHCb組還發(fā)現(xiàn)了5個(gè)與此一致的線索。早在2013年，他們就發(fā)現(xiàn)B介子衰變時(shí)產(chǎn)生的粒子偏離了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的角度。

按照標(biāo)準(zhǔn)模型，在B介子衰變?yōu)镵介子時(shí)，底夸克會(huì)先短暫地變成頂夸克，再變成奇夸克。在這個(gè)過程中，底夸克需要先放出一個(gè)W玻色子，再重新吸收一個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)暗示，底夸克可能是直接變成奇夸克的——一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)模型中不可能發(fā)生的變化。一部分科學(xué)家們假設(shè)，這種變化是通過放出一種標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子，即Z9玻色子實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)額外的衰變過程會(huì)減少μ子的形成。“這聽起來像是為解釋而解釋，但這種假設(shè)確實(shí)完美地對(duì)應(yīng)上了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。”美國辛辛那提大學(xué)的Wolfgang Altmannshofer說道。另一些科學(xué)家則假設(shè)存在一種夸克和電子的雜交體，輕子夸克（Leptoquark）。

當(dāng)然，這種偏差也可能是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)導(dǎo)致的幻覺。18個(gè)月之前，ATLAS組和CMS組就疑似找到了一種新粒子，最后發(fā)現(xiàn)他們只是缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

如果Z9玻色子或輕子夸克真的存在，LHC就可能通過對(duì)撞找到它們，雖然它們存在的時(shí)間會(huì)非常短，Matias說道。停工了一個(gè)冬天之后，LHC即將恢復(fù)工作。下個(gè)月，那些粒子偵測器就會(huì)回歸崗位。