除了希格斯玻色子還有什麼?粒子物理標準模型正被動搖

作者 | 發布日期 2022 年 05 月 16 日 18:05 | 分類 自然科學 line share follow us in feedly line share
除了希格斯玻色子還有什麼?粒子物理標準模型正被動搖


作為一名粒子物理學家,也許最常被問的就是「你什麼時候能找到些新東西?」事實上,這些年物理學家真的發現許多新複合粒子,且越來越多數據若確認屬實,將高度威脅粒子物理標準模型的地位。

從大型強子對撞機(LHC)到兆電子伏特加速器(Tevatron)等,科學家經常發表又發現新粒子的進展,研究這些新的或非常重的粒子能幫助我們觀察潛在物理過程。然而最近對已知標準粒子的一系列精確測量結果,已足以威脅動搖當今粒子物理學支柱:標準模型(standard model)。

隨著大型強子對撞機以更高能量運行,英國蘭卡斯特大學物理學系教授 Roger Jones 認為,是時候開始討論這些問題。

粒子物理學一直靠兩種方式推進,其一為發現新粒子,另一種便是通過超精確測量測試理論預測並尋找偏差,比如愛因斯坦廣義相對論的早期證據,就來自發現恆星位置的微小偏差以及水星進動。

只是最近,越來越多精確測量結果已來到標準模型無法解釋的新物理現象。

LHCb 實驗發現,底夸克(beauty quark)衰變成電子的頻率遠高於形成渺子(muon;μ 子)的頻率,但根據標準模型,這種事情不該發生——暗示其中有新粒子甚至新基本力參與衰變過程。

但 ATLAS 實驗對頂夸克類似衰變過程的測量結果又表明,電子和 μ 子以相同速率衰變形成。

緊接著,美國費米實驗室緲子 g-2(Muon g-2)實驗去年公布了對渺子反常磁矩值的極精確測量,居然與 20 年前布魯克海文國家實驗室 E821 實驗測出的 μ 子反常磁矩一致,而這結果與標準模型預測值背道而馳,證實緲子旋轉速度比預期還快,再次表明有未知的力或粒子從中發揮作用。

▲ 費米實驗室緲子 g-2(Muon g-2)實驗裝置。

最新且最令人震驚的一份超精確測量則與 W 玻色子質量有關,這種基本粒子負責傳遞弱核力,自身質量取決於希格斯玻色子與頂夸克的質量。經過 10 年數據收集分析,同樣在費米實驗室進行的實驗結果卻表明,W 玻色子質量比理論預測還要重非常多,這種偏差結果就算做了 100 萬次實驗中都不太會發生。

這一事實有 3 種解釋,要嘛數學有誤、要嘛測量或分析失誤,要嘛就是不在標準模型中的新粒子增加了 W 玻色子質量。

究竟是新物理學正在等待我們譜寫?還是單純在測量分析過程有所失誤?關閉 3 年進行升級的大型強子對撞機已展開新一輪工作,最終可能取得更精確測量數據證實或反駁費米實驗室的結論,接下來數月~數年,預計會有大量新論文試圖解釋令人費解的 W 玻色子質量。

▲ 大型強子對撞機歷經 3 年升級,已再度投入新一輪探測工作。(Source:CERN

(首圖來源:CERN

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