28GeV！是新粒子吗？

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（详见：《已知最精确的科学理论是？》）。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。

数据说明了什么？

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。

但是这次的实验数据看起来确实有一个峰值。也许，你可以仔细看看下面这幅图，然后自己做出判断。这是一个真实的峰值，还是由于背景上（虚线曲线）点的随机散射造成的统计波动？

○ 此次实验的数据图。| 图片来源：CMS Collaboration

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。但或许是因为设备故障、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。

之所以出现错误，部分是由于统计学中所谓的“别处效应”（look elsewhere effect）：尽管只是观察能量为28 GeV这一处，随机噪声产生一个峰值的概率只是一百万分之十三，但是这样的噪声却可能在图像上的其他地方，也许在29 GeV或16 GeV处产生一个峰值。如果分别单独考虑，这些噪声是随机产生的概率也很小，但是，这些小概率之和却并不那么小（尽管事实上是非常小的数字）。这就意味着，峰值是由随机噪声产生的并非不可能。

还有一些令人困惑的方面。例如，当能量加倍时，在LHC的一轮运行中出现了能量尖峰，但是另一轮中并没有。通常，当能量更高时，人们会预期任何新的现象也会随之变得更大。这种能量峰值的时有时无或许是有原因的，但是就目前而言，这是一个令人不安的事实。

新的物理现实？

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。

例如，理论物理学家建议说，可能找到更轻版本的希格斯粒子，但这类物质不会衰变为μ子。人们也讨论过轻的Z玻色子或重的光子，但是这些粒子会与电子相互作用，而电子很容易被探测到，如果是这种情况，我们应该早就发现了它们。潜在的新粒子与任何提议的粒子的性质都不匹配。

如果这种粒子真的存在，那么它不仅超越标准模型，而且是以一种无人预料过的方式超越。

但是，替代方案将不会是任何已经提议过的扩展标准模型的候选方案：包括超对称、额外维度和大统一理论。这些理论都预言了新的粒子，但没有一种粒子具有在此次实验中看到的粒子的性质（如果是真实粒子的话）。这将是一种从未有人提出过的、非常怪异的粒子。

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。

文：Roger Barlow（国际加速器应用研究所研究教授，哈德斯菲尔德大学）

原文标题为“Mystery particle spotted? Discovery would require physics so weird that nobody has even thought of it”，首发于2018年11月5日的The Conversation。原文链接：https://theconversation.com/mystery-particle-spotted-discovery-would-require-physics-so-weird-that-nobody-has-even-thought-of-it-。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。