2016年物理学领域被引用最多的20篇论文中,12篇都是关于这个不存在的粒子

作者: Elizabeth Gibney 等

来源: 环球科学

发布日期: 2016-12-30

2016年,大型强子对撞机LHC疑似发现了一个750 GeV的新粒子,引发了物理学界的广泛关注。然而,经过进一步的数据分析,LHC宣布这一信号只是统计波动,并非新粒子的存在。这一事件展示了高能物理研究的不确定性和挑战,同时也反映了科学家们对超越标准模型新发现的渴望。

2016年前半年物理学领域最激动人心的事件之一,或许就是去年年底大型强子对撞机LHC疑似发现的“750 GeV新粒子”了。根据SCI数据库的统计,到12月30日为止,2016年物理学领域引用次数最高的20篇论文中,12篇都是关于这个粒子——然而,今年8月,LHC正式宣布这个令人兴奋的信号并非来自新粒子,只是个统计波动。它是怎么“疑似被发现”,又是怎么没了的,为什么受到这么多关注?

它的“出现”和“消失”对高能物理来说意味着什么?

2015年12月,LHC科学家宣布,他们在2016年4月到11月间收集的数据中找到了一个可能意味着新粒子的“凸起”,而且值得注意的是,CMS和ATLAS两个探测器都独立地发现了这个信号。如果这真的意味着一种全新的粒子,那么,它的影响将比发现希格斯玻色子更为重大,因为这将成为首个标准模型不能解释的粒子,它将标志着粒子物理学界的新纪元的开始。

标准模型是描述基本粒子及其相互作用的理论,它到目前为止非常成功,但由于没有包括引力,也无法解释暗物质,还算不上“终极理论”。因此,物理学家一直在寻找超越标准模型结论的实验证据。

然而,2016年8月5日,LHC两大独立实验——ATLAS和CMS的代表,在美国芝加哥举办的国际高能物理会议(ICHEP)上宣布,他们继续分析了4倍量的数据,发现随着这些数据的积累,去年12月发现的“新粒子”的信号已经几乎衰减至无,也就是说,所谓的“新粒子”只不过是个统计波动。“在2016年的数据中,我们没有发现显著的信号。

” 欧洲核子中心(CERN)的物理学家、ATLAS实验的发言人Bruno Lenzi在ICHEP的一场座无虚席的会议上报告道。在Lenzi发言之后,CMS实验的发言人、来自罗马国家核子物理研究所的物理学家Chiara Ilaria Rovelli也带来了坏消息:CMS实验所得的新数据也没有能生成这种显著信号。“不幸的是,2015年发现的疑似信号并没有得到2016年数据的证实。” 她说。

虽然没有发现新粒子令研究人员感到失望,但这也是情有可原的:ATLAS在今年6月最新更新的数据中,将该信号的显著性定于2.1σ,而要想确认一个信号代表着真实发现,而非噪声干扰,信号的显著性需要达到5σ。σ是什么?简单来说,它代表着一种概率。5σ意味着,如果这一信号不是来自新粒子,它单纯由随机涨落产生的概率小于3×10^(-7)。

5σ是粒子物理与天体物理学判断一个信号是否代表新发现的黄金标准,2012年LHC发现希格斯玻色子时的置信度高达7σ,今年年初先进LIGO首次捕捉到引力波信号时的置信度也达5.1σ。

尽管随着这一信号被证实为统计波动,由此诞生的所有模型也都被证实为错误的,Petersson并不认为这些研究是无效的。“这是一次用不同的观点解释这次实验结果的有趣尝试,我也确实在这个过程中学习到许多东西,”他说。

Lincoln说,统计上的波动和真实发现在一开始看起来都是一样的。在很宽的质量范围内进行数千次搜索的情况下,这种巧合是很有可能发生的,类似的迹象在过去也曾多次出现又消失,他说,“这样的循环在未来可能还会发生许多次。”

LHC何去何从?但是,这次的假警报不会影响LHC在未来发现其他东西的可能性。Petersson说:“想想还有其他LHC实验到现在依旧一无所获,这并不算是一个重大的打击。”他说。

对于在LHC的实验项目和研究人员来说,未来一切如常。在标准模型诞生40年之后,一些物理学家担心以后可能再也不会有超越标准模型的发现,因为LHC或者在其之前的任何粒子加速器都没有此类发现。不过,自2015年6月以来,LHC一直以13万亿电子伏特(13 TeV)的粒子能量运行,这已经十分接近它可以运行的最大粒子能量——14 TeV。

Tonelli乐观地相信着新的发现终会到来。“我们都深信,早晚有一天必会出现一个标准模型不能解释的异常值,在消除统计误差后仍然坚挺地存在,并瞬间改变一切,”他说,“而它随时都可能发生——这就是我们高能物理学家工作的魅力。”

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