欧洲大型强子对撞机疑似发现新粒子，标准模型受到挑战

即使2012年发现的“上帝粒子”希格斯玻色子完成了标准模型的最后一块拼图，又一次证明了现代粒子物理学的这一基石的靠谱性，科学家们也从未停止寻找标准模型以外的线索。

近日，发现希格斯玻色子的欧洲核子中心（CERN）有了新突破：研究人员在实验中发现B介子的衰变过程与标准模型描述不符，疑似有新粒子产生。当地时间4月18日，发现这一偏差的科学家们在CERN作报告时这样宣布。

虽然这个发现本身不足以成为独立的证据，但结合此前发现的其他线索，科学家们或许已经捕捉到了新粒子模糊的身影。巴塞罗那自由大学的Joaquim Matias说，“此前我们从未观察到标准模型出现一系列相互关联的偏差，而这一系列偏差又可以用一个非常简单的方式解释：存在一种新的粒子。”Matias认为这已经是个大发现了，其他同行却还持谨慎观望态度。

标准模型与61种基本粒子

标准模型是现代粒子物理学的基石，涉及四种基本力中的三种：电磁力、强作用力、弱作用力，及组成所有物质的基本粒子。它以夸克模型为结构载体，解释和描述了基本粒子的特性及相互间的作用。

1995年，美国费米实验室宣布发现了顶夸克（Top Quark），这是标准模型所预言的61种基本粒子中，第60种被实验证实的。剩下的唯一未被发现的粒子就是希格斯玻色子。

最终，欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）找到了这最后一块拼图。2012年，CERN两个最大的实验组， ATLAS组和CMS组，分别独立发现了希格斯粒子。2013年的诺贝尔物理学奖也授予了希格斯玻色子的理论预测者，比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和英国物理学家彼得·希格斯。

不过，这次发现新线索的并非ATLAS或CMS，而是LHC一个规模较小的侦测器，名叫LHCb（LHC底夸克侦测器）。LHC共有5个侦测器，其中较大的超环面仪器 （ATLAS）与紧凑渺子线圈（CMS）致力于通过刷新能量上限来侦探新粒子，剩下的三个都是较小型的特殊目标侦测器。LHCb的任务是精确监测已知粒子，尤其是B介子的衰变过程。

B介子的“不正常”衰变

B介子是由夸克这种基本粒子构成的。人们更熟悉的质子和中子就是由3个夸克构成的，其中1个质子包括2个上夸克和1个下夸克，1个中子则包括2个下夸克和1个上夸克。而高能粒子对撞还会产生一些更重的夸克：魅夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。这些夸克可以和反夸克一起组成介子。B介子就由1个反底夸克和1个夸克（可能是上夸克、下夸克、奇夸克和魅夸克中的一种）组成。

B介子只会存在一万亿分之一秒。科学家们希望在它的衰变过程中窥见新的物理世界的大门。如果在B介子衰变过程中，有任何新的粒子介入，衰变的速度和细节都会偏离标准模型的预测。这就为人类提供了一种间接发现新粒子的方法。20世纪70年代，人们还只知道上夸克、下夸克和奇夸克，物理学家就是因为发现K介子（由1个奇夸克和1个反夸克组成的介子）的衰变过程有点奇怪，预测了魅夸克的存在。

当地时间4月18日，LHCb的科学家们在CERN作报告时宣布，他们发现其中一种B介子衰变为K介子时，副产物和标准模型预测的有所偏差。根据标准模型，衰变要么产生1个μ子和1个反μ子，要么产生1个电子和1个正电子，概率是均等的。但在实验中，他们发现概率分布并不均匀：前者发生的频率要小于后者。牛津大学的Guy Wilkinson代表LHCb组的770个成员说道，“这个测量结果很重要，因为在理论上应该是非常均匀的。”

除此之外，LHCb组还发现了5个与此一致的线索。早在2013年，他们就发现B介子衰变时产生的粒子偏离了标准模型预测的角度。

按照标准模型，在B介子衰变为K介子时，底夸克会先短暂地变成顶夸克，再变成奇夸克。在这个过程中，底夸克需要先放出一个W玻色子，再重新吸收一个W玻色子（W玻色子是一种传递弱相互作用力的粒子）。

但LHCb组的最新实验数据暗示，底夸克可能是直接变成奇夸克的——一个在标准模型中不可能发生的变化。一部分科学家们假设，这种变化是通过放出一种标准模型以外的新粒子，即Z9玻色子实现的。这个额外的衰变过程会减少μ子的形成。“这听起来像是为解释而解释，但这种假设确实完美地对应上了实验数据。”美国辛辛那提大学的Wolfgang Altmannshofer说道。另一些科学家则假设存在一种夸克和电子的杂交体，轻子夸克（Leptoquark）。

当然，这种偏差也可能是由实验数据的波动导致的幻觉。18个月之前，ATLAS组和CMS组就疑似找到了一种新粒子，最后发现他们只是缺乏足够的实验数据。

如果Z9玻色子或轻子夸克真的存在，LHC就可能通过对撞找到它们，虽然它们存在的时间会非常短，Matias说道。停工了一个冬天之后，LHC即将恢复工作。下个月，那些粒子侦测器就会回归岗位。