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能量突破標準模型 是新粒子還是假信號?

2018/11/22 13:10:10 1634
來源:科技日報 新聞記者:代小佩 責任編輯:李依環、熊旭



發現“新粒子”好比發現新大陸,出乎尋常又令人興奮。因為半個多世紀以來,粒子物理學家們精心繪制了一張擁有61個成員的“粒子譜”,目前實驗中發現的所有粒子都能在這張譜上找到對應的身份。

比如,W玻色子、Z玻色子、膠子、頂夸克以及魅夸克還沒有被發現之前,理論物理學家們已根據“粒子譜”預測到它們的存在,并且對其性質的估計也非常精確。這張神奇的“粒子譜”就是標準模型,被稱為迄今為止在粒子層面理解自然的最佳理論。

近日,有新的信號似乎要打破這一標準模型。歐洲核子研究中心(CERN)的科學家宣布,大型強子對撞機(LHC)中的緊湊型繆子螺旋磁場探測器(CMS)可能發現了一種全新粒子,它的能量大約是28GeV(10億電子伏特),不足希格斯玻色子(125GeV)的四分之一。而28GeV的能量值與現有理論的預測都不吻合。相關研究論文作為預印本發表在ArXiv上,還未通過同行評議。

物理學家們表示,若是新粒子,會非常令人振奮。但目前,他們更加強調要謹慎對待這個信號。

“粒子雨”中出現繆子對

28GeV的信號是如何被發現的?CERN的研究團隊進行這次實驗原本是為尋找另一種與希格斯玻色子相似的粒子。在粒子對撞實驗中,重粒子(如希格斯玻色子)通過粒子碰撞產生后立即發生衰變,產生暴雨般的更輕、更小的粒子(比如光子或電子),由于這些粒子比重粒子穩定,所以能被探測器“捕獲”。科學家們再經過物理分析,推測出它們的起源。

本次實驗,“粒子雨”中出現了成對的繆子,它們與電子相似但更重。研究人員分析了這些繆子的能量和方向。據英國哈德斯菲爾德大學國際加速器應用研究所主管、研究教授羅杰·巴洛分析,繆子對中的兩個粒子通常分別產生于不同事件,而非同時由一個粒子的衰變產生。假設繆子對中的兩個粒子源自同一個粒子,那么母粒子的質量將分布在一個較大的范圍中。

但這次,母粒子的質量分布在28GeV處的一個峰值。也就是說,也許存在一種能量為28GeV的粒子,釋放了這些繆子對。

據了解,本次實驗結果的顯著性為4.2倍標準偏差。巴洛分析稱,這意味著峰值來自數據中隨機噪聲的概率僅為0.0013%。

但另一個費解的事實是,當研究人員將能量加倍后,數據顯著性掉到了2.9倍標準偏差。論文作者尼基·特克認為,這可能是因為高能量實驗產生了更多的“背景粒子”,模糊了信號。

不在標準模型“粒子譜”內

為何28GeV的信號令人興奮呢?因為能量為28GeV的新粒子不在標準模型里,甚至不在其他主流理論的預測之內。

中科院高能物理所研究員阮曼奇告訴科技日報記者,標準模型中有61個粒子,每一個粒子的種類、性質、量子數、質量大小、相互之間的耦合等基本上都是確定的。“標準模型是粒子物理學家摸索出來的和實驗吻合得最好的、最簡潔的理論,精準描述了對撞機實驗室中看到的幾乎所有現象。它非常詳盡,以致于沒有太多含混。”

標準模型的詳細程度好比一個賓館套間,其手冊上清楚說明了每一件物品的名稱、種類、數量、位置等,從而使客人非常舒服地住在里面。“某天,你走進房間發現客廳多了一架鋼琴,而它并不在說明書上,你會感到驚訝。”

CMS探測到的28GeV能量的信號,好比這架突然闖入的鋼琴,打破了粒子物理學家的舒適區。中科院高能物理研究所研究員張華橋承擔著一部分CMS研究工作,他在接受記者采訪時說:“如果它是一個新的基本粒子,標準模型就無法解釋。因為它的質量比介子和重子高,又比我們希望探測到的高質量基本粒子低很多。”

另一方面,目前的天文觀測和中微子實驗表明,標準模型遠非終極理論。因而,突破標準模型的新粒子將會是一個重大發現。

“2012年,希格斯玻色子的發現宣告了標準模型中61個粒子全部被找到。目前,粒子物理學家還沒走出標準模型描繪的這間屋子。如果28GeV信號是真的,我們對世界的認知或許能再邁出重要一步,這將令人興奮。”

實驗結果需要更多數據檢驗

張華橋也表示,目前CMS的實驗結果還沒達到可以稱之為“發現”的級別。“通常實驗結果的顯著性為3倍標準偏差時,可被視為實驗證據或跡象,只有達到5倍標準偏差的時候才能被稱為‘發現’。”5倍標準偏差也可能出錯,但可能性很小,而目前關于28GeV的實驗結果顯著性是4.2倍標準偏差。

此外,在能量加倍后進行測試時,28GeV的信號實際上變弱了。張華橋表示,CMS在質心能量分別為8TeV和13TeV探測28GeV時,所得的結果并不一致,“能量升級后,28GeV的信號變弱了”。

LHC的超環面儀器(ATLAS)的同類實驗數據能對CMS的此次結果進行交叉檢驗。阮曼奇說:“CMS和ATLAS是兩個獨立的粒子探測器,對后者的數據進行相似分析將很有說服力。”不過研究結果什么時候能對外公布,還無法確定。

從CERN探測器的開機運行到希格斯玻色子的發現,大概花了4年時間。28GeV的驗證是否也需要這么久呢?張華橋認為,二者還不能相提并論。“希格斯玻色子的預測,理論上已醞釀了很多年,然后經過多年終于在對撞機實驗中找到了它。它的發現,在很多末態和不同實驗中都得到驗證。”而28GeV能量處的峰值僅僅是一個信號,距離獲得“新粒子”身份還有相當大的差距。

經過數據積累,證據才能逐漸顯現。“對28GeV信號的數據分析尚不足,ATLAS的交叉檢驗結果非常重要。”在阮曼奇看來,這很可能是一個假信號。因為在對撞機實驗中很容易有一些激動人心的信號,但隨著時間推移,信號常又會慢慢變弱。

阮曼奇反復強調,現在討論28GeV的意義為時尚早。“至少需要再多一倍的數據進行檢驗后才能得出結論。”阮曼奇說,究竟是重大發現還是統計漲落導致的假信號,我們拭目以待。



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