新的曙光 新物理学的曙光？

新物理学的曙光？

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在一系列涉及底夸克衰变实验中，物理学家似乎观察到了与粒子物理标准模型预测不一致的迹象，这可能使他们突破长期受到考验的粒子物理标准模型理论。

物理学家看待实验结果的方式与你我这样的普通人看待实验结果的方式非常不同。

当我们做实验的时候，比如验证牛顿第二定律，如果结果和理论有偏差，我们就会很紧张，这意味着实验可能要重新来过。因为我们心里知道，牛顿不可能错，错的只有我们自己。

但对于物理学家来说，如果一个实验结果与理论不一致，他们只会高兴，尤其是当这个结果与一个已经被一次又一次证明是正确的理论相冲突时。因为这些理论的正确性早已有目共睹，再做一次实验来证明它们是正确的意义并不大。只有当它们被证明是错误的或者有漏洞时，他们才会喜出望外。

标准模型很漂亮但并不完美

因此，目前物理学家对粒子物理标准模型的看法是：他们希望它是错误的。

一方面，标准模型被认为是最美丽的理论。它成功地描述了我们这个世界上除引力之外的所有粒子和基本力的行为。到目前为止，还没有实验结果与该理论相矛盾。

另一方面，物理学家们也很清楚，标准模型并不完美：标准模型无法告诉我们暗物质是由什么粒子构成的，暗物质是一种神秘的隐形物质，占宇宙中所有物质的 85%，其引力使星系不会崩塌。标准模型也无法解释暗能量，暗能量约占宇宙物质能量的 68%，被认为是宇宙加速膨胀的原因。标准模型甚至无法告诉我们一个主要由物质构成的宇宙是如何幸存下来的，因为大爆炸中应该产生了等量的物质和反物质，它们应该相互湮灭，什么都不剩。

更重要的是，标准模型本身包含几个显然是任意的特征，需要进一步解释。例如，在最基本的层面上，标准模型将粒子分为三“代”：第一代包括电子、e型中微子以及上夸克和下夸克；第二代包括μ子、μ型中微子、粲夸克和奇异夸克；第三代包括τ子、τ型中微子、顶夸克和底夸克。所有普通物质都是由第一代粒子组成；第二代和第三代粒子只能在高能物理实验中产生，并在短时间内衰变成第一代粒子。粒子被排列成“代”，是因为每组四个粒子除了质量外，与下一组中相应的四个粒子具有几乎相同的性质。但为什么会有“代”以及为什么不能有更多的代一直是个谜。

基于上述原因，物理学家们确信标准模型是有缺陷的，并渴望突破它，推出新的物理学理论，但却苦苦寻找突破口。

但最近出现了一线希望：一系列实验暗示了新粒子和新基本力存在的可能性。

底夸克衰变中的异常

这些实验涉及标准模型第三代的基本粒子——底夸克（参见提示：底夸克）。

当电子或质子加速到接近光速并正面碰撞时，它们会产生质量比碰撞粒子本身高得多的奇异粒子，包括底夸克，它们仅存在约一万亿分之一秒，然后迅速衰变成其他粒子。

像底夸克这样质量极大的不稳定粒子有很多衰变方式，就像一个杯子可以碎成 2、3、4 或更多块，每块的质量可以有所不同。物理学家对底夸克衰变成另一种称为“奇异夸克”的粒子很感兴趣。在这个过程中，它要么发射两个正电子和负电子，要么发射两个正负μ子。

标准模型中，粒子按质量分为轻子和重子两类，夸克属于重子，电子和μ子属于轻子，电子和μ子带相同电荷，但质量不同新的曙光，μ子的质量是电子的207倍。

在标准模型中，有一条规则说，除了质量不同之外，所有轻子的行为都完全相同。这被称为“轻子普遍性”规则。将这条规则应用于底夸克的衰变意味着底夸克衰变为电子正电子和电子反μ子的概率应该相同。例如，如果底夸克衰变为电子正电子的概率是百万分之一，那么它衰变为μ子反μ子的概率也应该是百万分之一。

但在2000年代中期，一些实验数据显示，底夸克衰变成正或负μ子的概率似乎小于衰变成正或负电子的概率。这与标准模型相矛盾。但由于当时观察到的衰变事件太少，统计误差很大，所以无法得出最终结论。

2014年，物理学家在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上重复了这一实验。这一次误差更小了，但结论依然如故，即底夸克衰变成μ子或反μ子的概率仍然小于衰变成电子或反电子的概率。可惜的是，这次实验的误差并没有缩小到让我们得出明确结论的程度，证明这确实与标准模型不一致。

此外，在这次实验中，物理学家还直接测量了底夸克衰变为正负μ子的概率以及衰变中产生的粒子飞出的角度，并与标准模型的预测进行了对比。这一次，有更强烈的迹象表明实验结果偏离了标准模型。不过，这些证据仍存在很大的不确定性。

是的，上述实验结果（比较底夸克衰变成电子和电子衰变成μ子和反μ子的概率、直接测量底夸克衰变成μ子和反μ子的概率、测量衰变过程中粒子飞出的角度）似乎并不足以从每个实验中得出明确的结论。但是，这三个实验都显示出违反标准模型的迹象。在一些物理学家看来，标准模型确实有点悬而未决。

新的粒子和新的基本力？

那么，如果底夸克衰变确实违反标准模型，那么是什么导致了这种异常？

由于弱核力在粒子衰变过程中占主导地位，而传递弱核力的粒子分别称为W+、W-、Z0，但在标准模型中，这三种粒子对电子和μ子的作用强度相同，无法解释“底夸克衰变为正负μ子的概率仍然小于衰变为正负电子的概率”这一异常现象。因此有人提出：或许存在一种新的基本力，由一种假想的粒子传递，这种粒子叫做Z'。Z'是一种很重的、电中性的粒子，关键在于它与电子和μ子相互作用的强度不同（或者说它只作用于μ子，而不作用于电子）。也就是说，Z'不再平等对待电子和μ子。这可以解释为什么底夸克衰变为μ子的概率小于衰变为电子的概率。

如果存在新的基本力，那么将会启发物理学家重新开始大统一理论的研究，具有重要意义。

20世纪下半叶，物理学家发现标准模型所描述的三种基本力（强核力、弱核力、电磁力）都可以被统一起来，用一个理论来描述，这就是所谓的大统一理论。

但问题在于，大统一理论预言质子应该衰变，但迄今为止的实验并没有看到质子衰变的迹象。更重要的是，要探测到大统一理论预言的一些新粒子，所需的能量是大型强子对撞机所能达到的能量的万亿倍，远远超出了实验能力的范围。因此，大统一理论的研究停滞了几十年。

如今，我们能够在更低的能量下探测到新力存在的迹象，这对物理学家来说是一个极大的鼓舞，研究新的基本力并将其纳入大统一理论成为他们的新目标。

轻子和夸克有关系吗？

同样，其他物理学家也提出了一种新的基本力的可能性，但其运作方式略有不同。

前面提到，标准模型将基本粒子分为轻子和夸克两类。正如带电荷的粒子具有电磁相互作用一样，夸克也带有一种称为“色荷”的电荷，因此夸克之间存在强核力。但电子、μ子等轻子不带色荷，因此轻子和夸克之间不存在强核力。正如电荷有正负之分一样，色荷也有红、绿、蓝三种。三种颜色放在一起，就呈现中性（无色）。

现在，有人提出可能存在第四种颜色：紫色。这种色荷是由轻子携带的，所以轻子其实就是不同颜色的夸克。这样，轻子和夸克就统一了。

在标准模型中，传递夸克间强核力的粒子是一种叫做“胶子”的粒子。现在，由于假设轻子也是一种特殊的夸克，所以在轻子和夸克之间必定存在一种新的基本力，它的传递粒子暂时叫做“轻子夸克”。轻子夸克是一种有质量的粒子，它既和轻子相互作用，又和夸克相互作用，所以它参与了底夸克衰变为电子或μ子的过程。由于它与电子和μ子相互作用的强度不同（至于哪种相互作用更强，取决于它是促进还是阻止底夸克衰变），所以底夸克衰变为正电子和反电子的概率与衰变为正电子和反μ子是不同的。

这个猜想尤其令人兴奋，因为它统一了轻子和夸克，这是旧大统一理论无法做到的。这也启发了物理学家们去发展大统一理论。

与此同时，实验人员正忙个不停。一个小组计划继续进行实验，以验证底夸克衰变异常是否真实存在，而 2012 年发现希格斯玻色子的大型强子对撞机正在探索如何寻找可能的 Z' 粒子或轻子夸克。

如果新发现得到证实，我们不仅将突破标准模型，对自然的深刻认识也将实现飞跃，或许还能帮助我们理解暗物质和暗能量。

一种新物理学的曙光似乎正在升起。这是真的吗？

提示：底夸克

我们知道，原子是由原子核和核外电子组成的，原子核由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成，夸克有六种类型：上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。

底夸克带有-1/3 基本电荷，质量约为电子的 9,300 倍、质子的 5 倍。

底夸克不构成质子或中子，而主要构成介子（由两个夸克组成的粒子，而质子和中子由三个夸克组成）。例如，B 介子包含一个底夸克和一个上或下夸克。Bc 介子包含一个底夸克和一个粲夸克。