​标准模型的新挑战

大型强子对撞机夸克实验（LHCb）项目探测器

这句话放在高能物理学领域也不错，在高能粒子对撞实验中，物理学家们有时会观测到反常的结果，仅有一次的孤例并不能引起人们太多的关注。但是，如果一种反常情况接二连三地出现，就一定会引发关注，物理学家们也会开始对此进行各种假设——尽管在目前来看，发现新物理学的可能还是微乎其微。

这一次的反常状况出现在B介子（B meson）的衰变过程中，而它所针对的，正是涵盖了“几乎所有的理论”（theory of almost everything）——标准模型（Standard Model）。粒子物理学家们对于标准模型的感情是复杂的，自从2012年在瑞士日内瓦地下的大型重子对撞机（LHC）发现了希格斯波色子，这个包含了大部分基本粒子及其行为方式的宏伟模型宣告完成，这是一栋辉煌而又充满着危机的物理学大厦，在它完成之日，粒子物理学家们就开始思考如何才能摧毁它。因为人们明白，这座看起来完美的物理学大厦是不完整的，它并没有涵盖所有的基本粒子，也不能解释所有物理学现象。在标准模型的范围内包含强相互作用，弱相互作用以及电磁相互作用，但是不包括引力作用，更没有涉及目前最令人困惑的暗物质和暗能量的内容。但就是这样一个并不完善的模型，却一直显示出强大的威力，指引着粒子物理学家们的工作，目前在世界上各个粒子对撞机内进行的几乎所有高能粒子对撞实验，结果都符合标准模型的预测。

人们明知道标准模型不完美的，但是它看起来却一直都是这么完美。正是出于这个原因，粒子物理学家们多年来一直都希望能够找到突破标准模型限制的机会，因此今年在瑞士和日本的两个粒子对撞实验结果才显得格外引人注目——它们得到的结果并不符合标准模型的预测，而且这与2012年的另外一次对撞结果相类似。

在瑞士的大型重子对撞机进行的LHCb试验项目，使质子在接近光速的状态下进行相互对撞，而在日本高能加速器研究机构（High Energy Accelerator Research Organization）进行的Belle试验，是利用电子和它的反物质正电子进行高能对撞。在这两个实验中，都会产生出B介子，而后B介子发生衰变，继而产生出轻子（lepton）。在这两组截然不同的实验中，实验人员都观测到了类似的现象：B介子衰变所产生的轻子中，某一类轻子超出了其他轻子，这个现象超出了标准模型的预测，无法利用任何目前已知的物理学理论进行解释，也就难免引起人们的极大关注。

在标准模型的框架中，轻子分为三“代”（generation），分别为电子和电子中微子，muon粒子和muon中微子，以及tau和tau中微子。根据标准模型的描述，在B介子发生衰变的最终产物中，应该产生等量的电子，muon粒子以及tau粒子。但是LHCb实验的质子对撞实验结果显示，在B介子衰变的最终产物中。tau粒子的数量比标准模型的预测多出了25%到30%，而在Belle实验中，正负电子对撞所产生的B介子的衰变最终产物也出现了更多的tau粒子（虽然没有LHCb实验中所占的比重高）。在这两个实验项目工作的科学家们交流之后，分别在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志和《物理评论D》（Physical Review D）杂志发表论文，报告了这个结果。

这两个实验结果也让物理学家们联想到2012年，在美国国家加速器实验室的SLAC粒子加速器中进行的BaBar实验项目，在当时的粒子对撞实验的结果中物理学家们同样发现了超出标准模型预测的tau粒子，反常接二连三地出现。然而，尽管在三个不同的粒子对撞实验中都出现了违反标准模型预测，无法用现有理论解释的结果，但是仅仅是这三个实验，还远不能说明问题。从统计学的角度来说，物理学实验想要声明做出了一个“发现”，需要达到五个标准差（5 sigma），而目前这几个实验与标准模型的偏离仅有3.9个标准差，也就是说，从中得到一个真正的科学发现的可能性目前还仅有0.011%，刚刚高于万分之一。

这仅有的万分之一的突破标准模型的可能性，吸引着物理学家们计划进行更多缜密的实验。大型重子对撞机已经开始进行更高能量的对撞实验，必将产生出更多的B介子，在那工作的物理学家将得到更多的B介子衰变数据进行统计，而BELLE实验项目也已经进行了升级计划，打算利用升级的BELLE Ⅱ探测器进一步进行B介子衰变统计。在几年之内，物理学家们必定会获得关于这个问题的确切答案。

实际上，以这样的形式“突破”标准模型的限制，物理学家们此前并没有什么准备。在目前各种各样的关于“新物理学”的预言，以及各式各样包含一切的物理学模型当中，并没有理论或是模型对于这种现象进行过预测或是说明。目前被物理学家们寄予最多希望的超对称（supersymmetry）理论，也没有对这种情况做出过预测或解释（当然这种情况未必违反超对称理论）。因此，即使在几年之后，关于B介子衰变突破标准模型限制的现象得到证实，物理学家们仍然面临着一个重要的问题，如何在此基础之上建立一个更全面的新物理学。

人们分析，如果这种情况得到确认，那么很有可能存在着一种新粒子。在B介子衰变的过程中，这种目前还不为人所知的粒子迅速地出现和消失，但是影响了B介子的衰变结果。物理学家们预测，有可能存在着另外一种希格斯玻色子，它与2012年发现的希格斯玻色子不同，这一种希格斯玻色子必然带电，也就是说，不仅只有一种希格斯玻色子赋予其他粒子质量。还有另外一种猜想，这种尚未被发现的粒子是“轻子型夸克”（leptoquark），这种目前还仅存于理论中的粒子是由轻子和夸克组成，它与tau粒子的相互作用更紧密。结果到底如何，现在还言之尚早，但无论是哪一种情况，都有可能为物理学家们带来新的启示。

（本文写作参考了《新科学家》杂志的报道） 挑战科学科普物理标准模型新挑战标准模型