标准模型审判日将近？LHC发现新粒子存在迹象

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标准模型审判日将近？LHC发现新粒子存在迹象

原创 2015-12-18 莫斯科维茨 环球科学ScientificAmerican

撰文 克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz）
翻译  韩晶晶

曲线上的一个小小的凸起，代表的只是数个粒子，却让整个物理学界沸沸扬扬。12月16日，世界上最大的粒子加速器，大型强子对撞机（LHC）的科学家，宣布他们的设备可能制造出了一种全新的粒子。而且，这种粒子不能被纳入粒子物理学的标准模型中。他们的结果是根据LHC在4月到11月间收集的数据得出的，这段时间中，重启后的LHC把质子对撞的能量提高了一倍。但这个结果距离确定的结论还远得很——许多物理学家警告说，曲线的凸起可以简单地用统计中的偶然事件解释。尽管如此，这一发现已经在一天之内催生出了至少10篇新论文，而且让全世界的物理学家议论纷纷。

“对这样的发现我们已经期待很久了，”华沙理论物理研究所的物理学家、欧洲核子研究中心（CERN）理论组的成员Adam Falkowski说。“当然，我们知道，这个信号有可能什么都不是。但对于我们这代物理学家来说，这是首次看到非常明显且相当可信的超越标准模型的物理学的迹象。所以这绝对是非常让人兴奋的。”当然，其他人的回应保持着谨慎的克制：“非凡的主张需要非凡的证据，而这个发现还不是，”哥伦比亚大学的物理学家Peter Woit在博客中写道。

不过，如果LHC真的看到了一种新粒子，那问题可就严重了：这种粒子是什么？根据在LHC中留下的痕迹，这种粒子的质量约为750 GeV，大概是质子质量的750倍。它应该是一种波色子，也就是说自旋为整数。一些理论物理学家说，新粒子看上去是一种更重的希格斯粒子。后者是4年前在LHC中发现的，最初也是数据曲线上一个非常有趣的凸起。或者，它可能是一种通往暗物质领域的门户粒子——因为这种粒子一旦出现几乎立刻就会衰变，所以它本身不可能被用来解释宇宙那些无所不在的不可见物质，但它可能是可与暗物质粒子相互作用的信使。另外一种假说是，新粒子是一种引力子，即某些理论预言的携带引力的粒子。

“在我们已知的世界之外，有一长串的可能候选者可用来解释这种粒子。”普林斯顿大学的物理学家Jim Olesn说，正是他发布了紧凑µ子线圈（Compact Muon Solenoid，CMS）的结果。“在今天之前，没有任何理论研究预言我们会找到这种粒子。”许多科学家希望LHC能找到支持超对称理论的证据，该理论预言存在许多额外的“伙伴”粒子，与我们已知的每一种粒子匹配。然而，这种750GeV的粒子不可能是超对称伙伴。“即使这个信号是真的，也无法告诉我们超对称到底是不是存在。”斯坦福大学的理论物理学家Peter Graham说。

科学家说，这次的结果最引人注目的地方在于，ATLAS和CMS看到了大体上一样的信号，而LHC的这两个探测器不但设置不同，数据和分析过程也都是完全独立的。“ATLAS自己明显看出粒子数超出了一点，这本身就已经很有趣了，再加上两个探测器在同样的能量发现了这种信号，”Falkowski说，“这在很大程度上降低了信号只是随机涨落的可能性。”不过，仍有理由保持怀疑。“如果你检查的能量范围很宽，那么你在某个能量看到随机涨落的机会是相当大的。”内布拉斯-林肯大学的Ken Bloom说，他是CMS组的成员。“按我个人的推测，这个结果很可能是随机涨落。我们经常能看到这类相对来说意义不大的信号。”物理学家还说，这样的粒子应该在LHC上一次运行时就被发现了。虽然LHC之前运行时能量较低，但也足以制造出质量为750GeV的粒子，而研究人员在这个能量只看到了非常微弱的迹象。而统计中的偶然事件，在哪次运行中都可能遇到，有可能只是上次运行恰好没出现。

ATLAS发现的信号意味着在大约10亿次质子撞击后，比“背景”（符合标准理论的普通粒子）多出了10个粒子。据物理学家在发布会上出示的图片，CMS看到了大概3个多余粒子。这样的数目或许听起来微不足道，但这些实验是极为灵敏的，对本应出现的任何质量的粒子的数量都有极为精确的预言，所以该结果也是统计显著的。但是，“这称不上发现——只是个潜在的发现，”Olsen说。

心痒难耐的物理学家无需等待太久即可知道真相。LHC在接下来的一年中取得的数据将很快证实或否定这种可能存在的新粒子。“我肯定是希望未来能发现一些有趣的东西，但现在还不知道到底会怎样，”Bloom说，“如果这些结果后来被证实的确是第一次发现了那种新粒子，那么我们会在数年后回顾现在，说‘我们就是在那时开始注意到它的。’我把这次的发现当成一个预告片。”

原文链接：http://www.scientificamerican.co ... unding-physicists1/