[科普中国]-能量突破标准模型 是新粒子还是假信号？

发现“新粒子”好比发现新大陆，出乎寻常又令人兴奋。因为半个多世纪以来，粒子物理学家们精心绘制了一张拥有61个成员的“粒子谱”，目前实验中发现的所有粒子都能在这张谱上找到对应的身份。比如，W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克以及魅夸克还没有被发现之前，理论物理学家们已根据“粒子谱”预测到它们的存在，并且对其性质的估计也非常精确。这张神奇的“粒子谱”就是标准模型，被称为迄今为止在粒子层面理解自然的最佳理论。近日，有新的信号似乎要打破这一标准模型。欧洲核子研究中心（CERN）的科学家宣布，大型强子对撞机（LHC）中的紧凑型缪子螺旋磁场探测器（CMS）可能发现了一种全新粒子，它的能量大约是28GeV（10亿电子伏特），不足希格斯玻色子（125GeV）的四分之一。而28GeV的能量值与现有理论的预测都不吻合。相关研究论文作为预印本发表在ArXiv上，还未通过同行评议。物理学家们表示，若是新粒子，会非常令人振奋。但目前，他们更加强调要谨慎对待这个信号。“粒子雨”中出现缪子对28GeV的信号是如何被发现的？CERN的研究团队进行这次实验原本是为寻找另一种与希格斯玻色子相似的粒子。在粒子对撞实验中，重粒子（如希格斯玻色子）通过粒子碰撞产生后立即发生衰变，产生暴雨般的更轻、更小的粒子（比如光子或电子），由于这些粒子比重粒子稳定，所以能被探测器“捕获”。科学家们再经过物理分析，推测出它们的起源。本次实验，“粒子雨”中出现了成对的缪子，它们与电子相似但更重。研究人员分析了这些缪子的能量和方向。据英国哈德斯菲尔德大学国际加速器应用研究所主管、研究教授罗杰·巴洛分析，缪子对中的两个粒子通常分别产生于不同事件，而非同时由一个粒子的衰变产生。假设缪子对中的两个粒子源自同一个粒子，那么母粒子的质量将分布在一个较大的范围中。但这次，母粒子的质量分布在28GeV处的一个峰值。也就是说，也许存在一种能量为28GeV的粒子，释放了这些缪子对。据了解，本次实验结果的显著性为4.2倍标准偏差。巴洛分析称，这意味着峰值来自数据中随机噪声的概率仅为0.0013%。但另一个费解的事实是，当研究人员将能量加倍后，数据显著性掉到了2.9倍标准偏差。论文作者尼基·特克认为，这可能是因为高能量实验产生了更多的“背景粒子”，模糊了信号。不在标准模型“粒子谱”内为何28GeV的信号令人兴奋呢？因为能量为28GeV的新粒子不在标准模型里，甚至不在其他主流理论的预测之内。中科院高能物理所研究员阮曼奇告诉科技日报记者，标准模型中有61个粒子，每一个粒子的种类、性质、量子数、质量大小、相互之间的耦合等基本上都是确定的。“标准模型是粒子物理学家摸索出来的和实验吻合得最好的、最简洁的理论，精准描述了对撞机实验室中看到的几乎所有现象。它非常详尽，以致于没有太多含混。”标准模型的详细程度好比一个宾馆套间，其手册上清楚说明了每一件物品的名称、种类、数量、位置等，从而使客人非常舒服地住在里面。“某天，你走进房间发现客厅多了一架钢琴，而它并不在说明书上，你会感到惊讶。”CMS探测到的28GeV能量的信号，好比这架突然闯入的钢琴，打破了粒子物理学家的舒适区。中科院高能物理研究所研究员张华桥承担着一部分CMS研究工作，他在接受记者采访时说：“如果它是一个新的基本粒子，标准模型就无法解释。因为它的质量比介子和重子高，又比我们希望探测到的高质量基本粒子低很多。”另一方面，目前的天文观测和中微子实验表明，标准模型远非终极理论。因而，突破标准模型的新粒子将会是一个重大发现。“2012年，希格斯玻色子的发现宣告了标准模型中61个粒子全部被找到。目前，粒子物理学家还没走出标准模型描绘的这间屋子。如果28GeV信号是真的，我们对世界的认知或许能再迈出重要一步，这将令人兴奋。”实验结果需要更多数据检验张华桥也表示，目前CMS的实验结果还没达到可以称之为“发现”的级别。“通常实验结果的显著性为3倍标准偏差时，可被视为实验证据或迹象，只有达到5倍标准偏差的时候才能被称为‘发现’。”5倍标准偏差也可能出错，但可能性很小，而目前关于28GeV的实验结果显著性是4.2倍标准偏差。此外，在能量加倍后进行测试时，28GeV的信号实际上变弱了。张华桥表示，CMS在质心能量分别为8TeV和13TeV探测28GeV时，所得的结果并不一致，“能量升级后，28GeV的信号变弱了”。LHC的超环面仪器（ATLAS）的同类实验数据能对CMS的此次结果进行交叉检验。阮曼奇说：“CMS和ATLAS是两个独立的粒子探测器，对后者的数据进行相似分析将很有说服力。”不过研究结果什么时候能对外公布，还无法确定。从CERN探测器的开机运行到希格斯玻色子的发现，大概花了4年时间。28GeV的验证是否也需要这么久呢？张华桥认为，二者还不能相提并论。“希格斯玻色子的预测，理论上已酝酿了很多年，然后经过多年终于在对撞机实验中找到了它。它的发现，在很多末态和不同实验中都得到验证。”而28GeV能量处的峰值仅仅是一个信号，距离获得“新粒子”身份还有相当大的差距。经过数据积累，证据才能逐渐显现。“对28GeV信号的数据分析尚不足，ATLAS的交叉检验结果非常重要。”在阮曼奇看来，这很可能是一个假信号。因为在对撞机实验中很容易有一些激动人心的信号，但随着时间推移，信号常又会慢慢变弱。阮曼奇反复强调，现在讨论28GeV的意义为时尚早。“至少需要再多一倍的数据进行检验后才能得出结论。”阮曼奇说，究竟是重大发现还是统计涨落导致的假信号，我们拭目以待。（原标题：能量突破标准模型是新粒子还是假信号？）