日前，來(lái)自蘭卡斯特大學(xué)的Roger Jones刊文稱：作為歐洲核子研究中心(CERN)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的一名物理學(xué)家，最常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題是--“你們什么時(shí)候能找到什么?”我忍住誘惑并諷刺地回答--“除了獲得諾貝爾獎(jiǎng)的希格斯玻色子和一大堆新的復(fù)合粒子之外你還能找到什么?”
我意識(shí)到，這個(gè)問(wèn)題之所以如此頻繁地被提出來(lái)是因?yàn)槲覀兪侨绾蜗蚋鼜V泛的世界描述粒子物理學(xué)的進(jìn)展的。
我們經(jīng)常從發(fā)現(xiàn)新粒子的角度來(lái)談?wù)撨M(jìn)展，而這經(jīng)常是真實(shí)的。研究一個(gè)新的、非常重的粒子有助于我們看到潛在的物理過(guò)程--通常沒(méi)有惱人的背景噪音。這使得我們很容易向公眾和政治家解釋這一發(fā)現(xiàn)的價(jià)值。
然而最近，對(duì)普通的、已經(jīng)知道的、標(biāo)準(zhǔn)的粒子和過(guò)程的一系列精確測(cè)量有可能撼動(dòng)物理學(xué)。而隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)準(zhǔn)備以比以往更高的能量和強(qiáng)度運(yùn)行，現(xiàn)在則是時(shí)候開(kāi)始廣泛討論其影響了。
事實(shí)上，粒子物理學(xué)一直以兩種方式進(jìn)行，新粒子是其中之一。另一種是通過(guò)進(jìn)行非常精確的測(cè)量，從而檢驗(yàn)理論的預(yù)測(cè)并尋找跟預(yù)期的偏差。
如愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的早期證據(jù)來(lái)自于發(fā)現(xiàn)恒星表面位置的微小偏差和水星在其軌道上的運(yùn)動(dòng)。
粒子遵從一種反直覺(jué)但非常成功的理論，即量子力學(xué)。這一理論表明，質(zhì)量大到無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中直接碰撞的粒子仍可以影響其他粒子的行為。 然而，對(duì)這種影響的測(cè)量非常復(fù)雜，而且更難向公眾解釋。
但最近的結(jié)果暗示了標(biāo)準(zhǔn)模型以外的無(wú)法解釋的新物理學(xué)是屬于第二種類型。來(lái)自LHCb實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，一種被稱為美夸克的粒子(夸克構(gòu)成了原子核中的質(zhì)子和中子)“衰變”(解體)為電子的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于為μ子--電子更重，但在其他方面完全相同，是兄弟姐妹。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，這種情況不應(yīng)該發(fā)生--暗示新的粒子或甚至自然界的力量可能影響這一過(guò)程。
有趣的是，來(lái)自LHC的ATLAS實(shí)驗(yàn)對(duì)涉及“頂夸克”的類似過(guò)程的測(cè)量顯示，這種衰變確實(shí)以相同的速度發(fā)生在電子和μ子身上。
與此同時(shí)，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Muon g-2實(shí)驗(yàn)最近非常精確地研究了Muon在其“自旋”(一種量子屬性)跟周圍磁場(chǎng)相互作用時(shí)如何“搖擺”。它發(fā)現(xiàn)跟一些理論預(yù)測(cè)有微小但明顯的偏差--再次表明可能有未知的力量或粒子在起作用。
最新的令人驚訝的結(jié)果是對(duì)一個(gè)被稱為W玻色子的基本粒子的質(zhì)量的測(cè)量，該粒子攜帶支配放射性衰變的弱核力。經(jīng)過(guò)多年的數(shù)據(jù)采集和分析，同樣在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，它比理論預(yù)測(cè)的要重得多--其偏差量在超過(guò)一百萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn)中不會(huì)偶然發(fā)生。同樣，這可能是尚未發(fā)現(xiàn)的粒子在增加它的質(zhì)量。
然而有意思的是，這跟來(lái)自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的一些較低精度的測(cè)量結(jié)果也不一致。
雖然我們并不絕對(duì)確定這些效應(yīng)需要一個(gè)新的解釋，但證據(jù)似乎越來(lái)越多地表明需要一些新的物理學(xué)。
當(dāng)然，會(huì)有幾乎和理論家一樣多的新機(jī)制來(lái)解釋這些觀察。許多人將尋求各種形式的“超對(duì)稱性”。這是一個(gè)想法，即標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子比我們想象的多一倍，每個(gè)粒子都有一個(gè) “超級(jí)伙伴”。這些可能涉及額外的希格斯玻色子(跟賦予基本粒子質(zhì)量的場(chǎng)有關(guān))。
其他人將超越這一點(diǎn)，援引最近不太時(shí)髦的想法，如“技術(shù)色”，這將意味著存在額外的自然力(除了重力、電磁力及弱核和強(qiáng)核力)并可能意味著希格斯玻色子實(shí)際上是由其他粒子組成的復(fù)合物體。只有實(shí)驗(yàn)才能揭示事情的真相--這對(duì)實(shí)驗(yàn)者來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。
同樣，也可能是研究人員使用了微妙的不同解釋，所以發(fā)現(xiàn)了不一致的結(jié)果。對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要仔細(xì)檢查在兩種情況下是否使用了相同的近似水平。
這兩個(gè)例子都是“系統(tǒng)不確定性”的來(lái)源，雖然所有相關(guān)人員都在盡力量化它們，但可能會(huì)有不可預(yù)見(jiàn)的復(fù)雜情況從而低估或高估它們。
這些都不會(huì)使當(dāng)前的結(jié)果變得不那么有意思或重要。這些結(jié)果說(shuō)明的是，有多種途徑可以更深入地理解新物理學(xué)，并且它們都需要被探索。
隨LHC的重新啟動(dòng)，我們?nèi)杂锌赡芡ㄟ^(guò)更罕見(jiàn)的過(guò)程產(chǎn)生新粒子，或發(fā)現(xiàn)隱藏在我們尚未發(fā)掘的背景下的新粒子。
