2012年,当希格斯玻色子首次被发现时,人们兴奋不已,它的发现完成了所谓的标准模型——我们目前在粒子层面理解自然的最佳理论。这一发现也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。最近,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)的科学家再一次发现了一个耐人寻味的信号,他们在数据中能量为28 GeV的地方检测到了一个神秘的峰值。粒子物理学家为此感到兴奋,因为它预示着一种新的粒子。
但是,他们的兴奋中却夹杂着焦虑。希格斯粒子证实了我们对物理现实的理解,然而与此不同的是,这种新粒子似乎对已有的理论模型构成了威胁。
这次新的结果已经作为ArXiv的预印本发表,虽然没有经过同行评议,但这不是一个大问题,因为LHC合作项目有非常严格的内部审查程序,我们可以确信,当作者报告“4.2个标准差的显著性”时,他们的计算结果是正确的。
这意味着,偶然——因为数据中的随机噪声,而非存在一个真实粒子——产生如此大的峰值的概率只有0.0013%,也就是一百万分之十三,这个数字真的很小。因此,这似乎是一个真实事件,而不是随机的噪音。尽管如此,我们还无法证实这一发现。
在LHC实验中,科学家会加速质子(组成原子核的粒子)束,让它们对撞在一起。通过监测已知粒子(如光子或电子)的不寻常堆积,来寻找新粒子的证据。
之所以不直接探测像希格斯玻色子这样“看不见的”重粒子,是因为这些粒子通常很不稳定,往往会分解(衰变)成更轻、更容易被探测到的粒子。因此,我们可以在实验数据中寻找这些轻粒子,以确定它们是否是某种较重粒子衰变的结果。LHC通过这种技术发现了许多新的粒子,它们都符合标准模型。
这次新发现来自于CMS(紧凑μ子线圈)探测器的一项实验,CMS记录了大量的成对μ子(μ子与电子相似,但质量要大得多,是容易识别的粒子),然后分析这些μ子的能量和方向,并追问:如果这些成对的μ子来自于单个母粒子的衰变,那么这个母粒子的质量是多少?在大多数情况下,成对的μ子通常有着不同的来源——来自于两个不同的事件,而不是单个粒子的衰变。
在这种情况下,如果试图计算母粒子的质量,会发现它分散在广泛的能量范围内,而不是像此次数据中那样在28 GeV(或其他能量)处产生一个狭窄的峰值。
如果这是真实的,那就意味着确实存在一个大的母粒子,在衰变时发射μ子,实验探测到的μ子对中的一些只来自于这个母粒子——而且之前从未见过能量为28 GeV的粒子。这一切看起来相当有趣,但历史告诫我们要小心。
这样显著的结果在过去也曾出现过,但是在获得更多数据后就销声匿迹了。例如,之前LHC宣布他们在能量750GeV处发现了异常信号,并认为这或许是一个自旋为0粒子。但或许是因设备故障、或是过分“热情”的分析、又或者仅仅是运气不好,之后信号便消失了。
除了实验结果的不确定,理论方面也更令人困惑。正如实验粒子物理学家花时间寻找新的粒子一样,理论物理学家花时间构想出新的、合理的粒子供实验物理学家寻找:那些会填补标准模型缺失部分的粒子,那些解释看不见的暗物质的粒子,或两者兼而有之。但是没有理论提出存在这种粒子。
幸运的是,另一个LHC实验——ATLAS从实验中获得了相似的数据,这个团队仍在分析他们的数据,并将在适当的时候报告。悲观的过往经验会说,他们将报告零信号,此次结果将加入众多统计涨落的行列。然而,也许——仅仅是也许——他们真的会看到些什么。那么到时候,实验物理学家和理论物理学家的生活会突然变得非常忙碌和有趣。