大型对撞机发现第五种基本相互作用？或将挑战标准模型
LHCb观测到底夸克很罕见的衰变，导致一对正负电子对的产生（图片来源：CERN）
2013年，欧洲核子研究中心（CERN）宣布发现了希格斯玻色子，补上了标准模型缺失的最后一块拼图。至今，标准模型仍被认为是目前粒子物理学中最好的理论模型。但LHCb合作组织在预印本网站上公开的最新论文显示，他们在质子-质子对撞实验中，可能发现了违背标准模型预测的现象。目前，这些数据的可信度还不足以宣称是“可靠的发现”。但如果结论最终得到证实，就可能意味着存在标准模型之外的“新物理”。
标准模型是目前粒子物理学中最好的理论模型，它描述了所有已知的基本粒子，以及除引力之外的其他三种基本相互作用力。但物理学家从来没有将其视为不可触动的天条，而是在不断地修正和完善它。不过即便如此，依然存在很多标准模型难以解释的事物，暗物质、暗能量、宇宙早期物质与反物质的不平衡等都是如此。甚至，物理学家多年来还一直在主动寻找“新物理”——标准模型之外的粒子和基本相互作用力。
探索过程中，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）就是物理学家手上最重要的工具之一。这个巨型机器埋藏在50～125米深的地下，其27公里的环形轨道横跨了法国和瑞士。质子在超导磁铁包围的真空管道中，被加速到接近光速后相互对撞。而物理学家就在质子对撞后产生的“粒子尘埃”中，不断寻找着可能存在的“新物理”。现在，在对近十年数据进行分析之后，科学家这次可能发现了标准模型预测之外的现象。
LHCb是LHC四个大型粒子探测器之一 图片来源：CERN
来自帝国理工学院物理系的米特舍·帕特尔（Mitesh Patel）博士是本次研究的负责人之一，他表示：“这项结果让我心跳加速！尽管现在还无法判断这是否只是标准模型的衍生物，但这仍然是我在物理学领域这20年来最令人兴奋的发现。为了这一结果，我们做了非常多的努力。”
普适性的缺失
根据标准模型的预测，不同的带电轻子，如电子、μ子、τ子，除依次递增的质量外，其他属性，如电荷、自旋以及电磁/弱力场的耦合系数等都应完全相同，这被称为轻子味普适性（lepton flavour universality，LFU）。以往实验表明，大部分粒子的衰变都符合LFU，但物理学家一直在寻找是否有违反LFU的现象。
通过LHC的质子-质子对撞实验，科学家有机会观测B介子的衰变。这个衰变底层反应实际上是底夸克（beauty quark）衰变为一个奇夸克（strange quark）和一对正负轻子对。对撞实验的质心能量分别为7、8和13 TeV，衰变能标在数个GeV量级左右，而μ子和电子的质量也不过0.5 MeV和105 MeV，在整个过程中显得无足轻重。由于μ子和电子的其他参数完全相同，那么根据LFU，衰变产生的一对正负轻子分别是μ子和电子的概率也应该几乎完全相同。
因为这个衰变本身只有百万分之一的发生概率，并且标准模型只允许这种衰变以特定的形式发生。只有不符合LFU的“新物理”才能对衰变过程产生标准模型之外的影响，或是彻底改变衰变的形式。不管怎样，一旦LFU被违反，那么用来描述μ子和电子产生率比例的RK会迅速偏离1。所以这个衰变是寻找反LFU现象的绝佳场所。
整个试验过程不过是极端物理过程一瞬，底夸克这种衰变发生的低概率也让探测离不开大量数据的积累，物理学家需要重型设备。大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）是LHC四台大型粒子探测器中的一台。验证LFU，或者说，寻找LFU的破绽，是它的使命之一。分析了2011、2012和2015-2018年的对撞数据之后，LHCb合作组织给出了RK=0.846，上下标准差分别为+0.044和-0.041的结论，这个偏离1的结论意味着LFU有可能被违背。
曼彻斯特大学的实验粒子物理学家，同时也是LHCb小组发言人的克里斯·帕克斯（Chris Parkes）教授表示：“我们原本以为B介子会以相同的可能性衰变为电子和μ子。但是以现在的数据来看，事实并非如此。考虑到可能存在的统计误差，目前还无法确定最终结论。”
改写教科书？
标准模型在过去的半个世纪内不断完善，它描述了所有已知的基本粒子，和除引力之外的其他三种基本相互作用力。但它当然也不是完美的理论框架，它无法解释目前物理学中依然存在的谜团。
标准模型（图片来源：Wikipedia）
迈克尔·麦卡恩（Michael McCann）是帝国理工学院团队中的一员，他表示：“我们知道，自然界中一定存在尚未被发现的新粒子，因为现在仍有很多无法被现有理论解释的谜团。例如，我们不知道（除正常物质外剩下的）95%的宇宙的构成，以及为什么物质与反物质的含量差距如此之大。我们也不知道未知粒子可能存在怎样的性质。”
帝国理工学院学生丹尼尔·莫伊兹（Daniel Moise）在会议上首次公布了该观测结果。他表示：“这个结果可能暗示一种全新粒子或全新作用力的存在。如果后续研究证实了这一点，那么这将深刻影响人类对自然界的理解。”违反LFU暗示着可能存在标准模型之外的新物理，例如存在于夸克和轻子之间的第五种基本相互作用。
如果这些结论是正确的，我们或许能用Z-primes或者轻夸克（leptoquarks）进行解释。Z-primes和轻夸克是两种假想的粒子，它们可以对其他粒子产生新的相互作用力。显然，不管是标准模型之外的基本粒子，还是第五种基本相互作用，都将是改写物理教科书的重要成果。
五个标准差的坚持
不过这一切都建立在底夸克衰变确实违反了LFU的基础之上，而目前科学家还不能下定这个结论。虽然给出的结论是RK=0.846，但它仍然拥有+0.044和-0.041的误差。也就是说，目前的实验的置信度只有3.1个标准差。距离物理学金标准——5个标准差还有一定距离，这也正是LHCb不敢宣布他们证实了LFU被违反的原因。
帕克斯表示：“这些数据的确非常有趣。但考虑到曾有置信度为7个标准差的数据最终被证实为统计学巧合，我们需要谨慎一些。实际上，这种事情经常发生。”
3.1个标准差意味着，如果实际上LFU并没有被违反，那么会有约千分之一的概率会产生RK=0.846的测量结果。这也意味着，约有千分之一的概率，LFU没有被违反。而到了5个标准差的情形，就只剩下350万分之一的概率。这5个标准差的置信度，是多年来粒子物理学家坚持的严谨的职业操守。
目前实验仅有3.1个标准差的置信度，不足以声称是一个可靠的发现（图片来源：arXiv:2103.11769）
其实早在2019年，已经寻找到了一部分违反LFU的证据，当时的置信度为2.5个标准差。而这次公开的研究成果，主要是数据上的更新，分析方法并没有很大的改变。帕克斯表示：“这将意味着我们发现了一些标准模型尚未定义的粒子或力。尽管以目前的数据来看，还无法作出最终结论，但是结合以往对B介子的分析结果来看，这很有可能是真的。”
目前，LHC和世界各地的科学家都将继续收集并分析数据，以确认事实的真相。
编译：王昱、洪艺瑞
审校：吴非
参考链接：
https://arxiv.org/abs/2103.11769
http://lhcb-public.web.cern.ch
https://phys.org/news/2021-03-result-lhcb-theory-physics.html
https://www.theguardian.com/science/2021/mar/23/large-hadron-collider-scientists-particle-physics