“這是每個科學家都想接到的那種電話，”哥倫比亞安第斯大學教授阿維拉說。
位于瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN) 的 TOTEM 實驗最近宣布了一種難以捉摸的準粒子的證據，該準粒子一直是物理學家對質子理解的缺失環節。但根據物理學家 Christophe Royon 的說法，“僅有 TOTEM 數據是不夠的。” 為了獲得完整的信息，堪薩斯大學的物理學家 Royon 想要重新審視 Tevatron 的 DZero 實驗數據，Tevatron 是一種粒子加速器，于 1987 年至 2011 年間在美國能源部費米國家加速器實驗室運行。
“令人興奮的是，我們在 2012 年發表的這些舊測量結果仍然非常重要，并且仍然可以在這項正在進行的研究中發揮作用，”阿維拉說。
用來自不同世代的兩個實驗進行聯合分析并不容易。它需要重寫已有數十年歷史的軟件并發明一種新方法來比較不同類型的數據。最后，合作導致了一種新粒子的發現：奇子。
上一代加速器
Tevatron 及其兩個實驗——DZero 和 CDF——于 1995 年因發現頂夸克而聲名鵲起，這是已知最重的基本粒子。
“這真的是一個高點，”DZero 聯合??發言人保羅格蘭尼斯說。“每個人都在空中行走。”
在發現頂夸克時，歐洲核子研究中心正在建造一個新的粒子加速器，即大型強子對撞機，旨在達到比 Tevatron 高一個數量級的能量。顧名思義，LHC 會碰撞一種稱為強子的亞原子粒子，通常是質子。Tevatron 也使用質子，但將它們與它們的反物質等價物反質子相撞。
大型強子對撞機于 2010 年 3 月開始碰撞質子。一年半后，費米實驗室的操作員按下了一個紅色的大開關，虔誠地結束了 Tevatron 的操作。在接下來的幾年里，格蘭尼斯看著 DZero 合作從數百名科學家縮減到少數活躍的研究人員。
“人們繼續前進，”格蘭尼斯說。“對實驗細節的記憶越來越少。”
Avila 和 Royon 是從 Tevatron 的 DZero 過渡到 LHC 實驗的物理學家之一。在告別之前，阿維拉撰寫了最后一篇論文，將 DZero 的結果與 LHC 的 TOTEM 實驗的第一批數據進行了比較。盡管兩個加速器的能量不同，但許多理論家預計 DZero 和 TOTEM 的結果看起來相似。但他們沒有。
“DZero 論文說——盡管有所有可能的解釋——它們與 LHC 上看到的模式不同，”TOTEM 發言人 Simone Giani 說。“那篇論文是激發我們看到合作可能性的火花。”
DZero 和 TOTEM 都在研究一種稱為彈性散射的相互作用的模式，其中快速移動的強子相遇并交換粒子而不會分裂。Grannis 將其比作兩名冰球運動員傳球。
“如果 Sam 將一個大冰球滑向 Flo，那么當他扔球時，Sam 會后退，而當她接住時，Flo 會后退，”他說。
像曲棍球運動員一樣，強子在通過“冰球”后偏離了軌道。DZero 和 TOTEM 在距離交互點幾百米處都有專門的探測器來捕獲偏轉的“Sams”和“Flos”。通過測量它們的動量和它們的軌跡改變了多少，物理學家可以推斷出在它們之間經過的冰球的特性。
膠子“點菜”
在 DZero 和 TOTEM 研究的彈性散射中，這些亞原子圓盤幾乎完全是膠子：生活在強子內部的承載力的亞原子粒子。由于量子力學守恒定律，交換的膠子必須始終與其他膠子聚集在一起。科學家們通過研究這些膠子-團塊交換來了解物質的結構。
“每次我們打開一個新的加速器，我們都希望達到足夠高的能量來觀察質子的內部運作，”賈尼說。“這種野心純粹是提煉膠子的影響，而不是夸克的影響。”
散射數據已經表明，膠子可以以偶數數量聚集并在經過的強子之間移動。但是科學家們不確定這個相同的原理是否適用于由奇數個膠子組成的團塊。理論家們在 50 年前就預言了這些奇數團塊的存在，他們稱之為奇數。但從未通過實驗觀察到奇子。
當物理學家建造新的旗艦加速器時，他們幾乎總是在能量上實現重大飛躍。但他們也做出了其他改變，比如在對撞機中使用什么樣的粒子。因此，比較來自不同代加速器(例如 Tevatron 和 LHC)的散射數據一直很困難。
“如果散射差異是因為質子和反質子之間的內在差異，或者因為加速器的能量每次都不同，那么就不可能解開，”賈尼說。
但是物理學家意識到 Tevatron 和 LHC 之間的這些差異可能是一種祝福而不是一種詛咒。事實上，他們認為它們對于發現奇怪的東西可能是必不可少的。
如果奇子不存在并且所有膠子“圓盤”都包含偶數個膠子，那么碰撞強子的物質或反物質性質將不重要。但是這些強子“Sams”和“Flos”的身份(特別是，Sam 和 Flo 是否都是由物質構成的，或者其中之一是否由反物質構成)應該會影響它們交換奇子的難易程度。
“觀察奇子最簡潔的方法是尋找質子-質子和質子-反質子相互作用之間的差異，”羅永說。“關于質子-反質子相互作用的最近唯一可用數據是什么?這是 Tevatron。”
來自過去的爆炸
TOTEM 與 DZero 合作的計劃于 2018 年在歐洲核子研究中心的 1 號餐廳通過喝酒而得到鞏固。
“當我們在一張紙上粗略比較 [Tevatron 和 LHC 結果之間] 時，我們已經看到了一些差異，”Royon 說。“這是起點。”
幾個月后，阿維拉遠程登錄他的舊費米實驗室賬戶，并試圖訪問他和他的同事多年前分析過的大約 20 GB 的 Tevatron 數據。
“我們第一次嘗試查看數據時，我們 10 年前使用的代碼都不起作用，”阿維拉說。“該軟件已經過時了。我們必須恢復所有軟件并將其與更新版本放在一起。”
另一個重大挑戰是將 Tevatron 數據與 LHC 數據進行比較，并對兩個加速器的不同能量進行補償。“那是棘手的部分，”格蘭尼斯說。
DZero 和 TOTEM 研究人員定期在 Zoom 上會面，以檢查他們的進展并討論如何比較相同能量狀態下的數據的想法。
“DZero 人員專注于從 DZero 數據中提取盡可能好的信息，TOTEM 人員為 TOTEM 做同樣的事情，”Royon 說。“我的工作是統一這兩個社區。”
如果奇子不存在，那么在調整 Tevatron 和 LHC 之間的能量差異后，DZero 和 TOTEM 應該在他們的數據中看到相同的散射模式。但無論他們如何處理數據，散射模式仍然不同。
“我們做了很多交叉檢查，”Royon 說。“花了一年時間來確保我們是正確的。”
質子-質子和質子-反質子數據之間的差異表明，這些強子正在通過一種新的亞原子圓盤。當與 2018 年 TOTEM 分析相結合時，他們具有足夠高的統計顯著性來宣稱一項發現：他們終于找到了奇子。
一個國際科學家團隊致力于這項研究。美國的捐款由美國能源部和國家科學基金會資助。“這絕對是來自世界各地的數百人辛勤工作的結果，”羅永說。
對于 Avila 來說，這一發現只是與他的 DZero 老同事合作進行這個新項目的眾多好處之一。“你在做研究的同時建立了牢固的友誼，”他說。“即使你沒有保持密切聯系，你也了解這些人，并且知道與他們一起工作真的很令人興奮。”
阿維拉還表示，這一發現顯示了保留舊實驗遺產的價值。
“我們不應該忘記這些舊數據，”阿維拉說。“它仍然可以帶來關于自然行為的新細節。不管過去多少年，它都有很好的科學價值。”
