重磅！物理學迎來新突破：科學家發現超越標準模型的新物理跡象

在瑞士日內瓦地下100米深處，有一條長達27公里的環形對撞機，這是歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC），數十億質子在這里被加速到接近光速并迎頭相撞。

每一次的碰撞，都是在復刻宇宙大爆炸發生瞬間那個時刻的極端環境，同時，每一次的碰撞也在為物理學家尋找著顛覆現有物理體系的蛛絲馬跡。

最近，LHC上的LHCb合作組發布了一項重磅研究成果，相關論文已被《物理評論快報》接收。

這項迄今為止對特定粒子衰變最精確的測量，再次讓統治粒子物理界半個多世紀的標準模型，露出了難以解釋的裂縫，讓物理學家們看到了新物理出現的跡象。

標準模型是人類目前對微觀世界最成功的解釋框架。

它把構成宇宙的所有基本粒子，以及支配它們的強力、弱力、電磁力三種基本力，都納入了一套完整自洽的規則里。

從構成原子核的夸克到圍繞原子核旋轉的電子，再到2012年才被發現的賦予所有粒子質量的希格斯玻色子，幾乎所有微觀世界的現象，都能被這套模型精準預言。

但物理學家早就清楚，它絕不是宇宙的最終答案，它無法兼容量子尺度的引力，也完全解釋不了占據宇宙中物質總質量85%的暗物質、推動宇宙加速膨脹的暗能量。

這些懸而未決的謎題，都指向了標準模型之外的新物理。

想要找到新物理的痕跡，最好的辦法之一，就是去觀察那些極其罕見的粒子衰變過程。

這次LHCb團隊聚焦的核心，是一種名為中性B介子的短壽命粒子。

B介子誕生于質子對撞的瞬間，由一個底夸克和一個反上夸克組成，平均只存在一萬億分之一秒，之后它就會衰變成其他更輕的粒子。

團隊研究的是它一種極端罕見的衰變模式：平均每一百萬個B介子里，才會有一個發生這樣的衰變，一個中性B介子先衰變成一個K介子（它會立刻分裂成一個帶正電的K介子和一個帶負電的π介子），同時釋放出一對帶正電和負電的μ子，也就是電子的重量級兄弟。

在標準模型的規則里，這個衰變過程有著獨一無二的價值。

它的本質是B介子里的底夸克要轉變成一個奇異夸克。

這種轉變沒有直達通道，在標準模型中屬于被嚴格禁戒的味改變中性流過程，它只能通過一種看不見的量子圈中轉，依靠真空中瞬間出現又消失的虛粒子才能完成整個過程。

也正因為如此，這個衰變被極大地抑制，所以才會變得如此罕見。

但反過來想，如果有標準模型里沒預言的新粒子、新相互作用存在，它們完全可以參與到這個量子圈的過程里，給衰變的結果帶來清晰可測的改變。

這就像一條原本只有螞蟻能通過的窄縫，但凡有一點外來擾動都會留下無法抹去的痕跡。

這一次，LHCb團隊用了2011、2012以及2016-2018年間采集的海量對撞數據，完成了迄今為止對這個衰變過程最精確的測量。

與此前的研究相比，這次的分析補上了所有過去被忽略的關鍵細節：

首次完整給出了K?π?系統S波貢獻的全套可觀測量，首次在分析中完整考慮了μ子質量帶來的物理效應，首次同時測量了衰變的微分分支比和全套角可觀測量，還把測量的雙μ子系統不變質量平方區間拆得更細，甚至用兩套完全獨立開發的分析框架完成了兩次完整分析，為結果的可靠性提供了關鍵交叉驗證，從而極大降低了分析流程出現系統偏差的可能性。

最終的測量結果再次印證了此前實驗中發現的異常：

B介子衰變的多項關鍵特征和標準模型的理論預言出現了持續的偏差。

其中最核心的參數，與標準模型預測的差異最高達到了4.1個標準差，在粒子物理領域，這意味著這個偏差來自隨機統計漲落的概率僅約十萬分之二。

而另一項關鍵結果，也就是B介子與反B介子衰變的行為差異（CP不對稱性），全部測量值均未出現顯著偏離零的情況，與標準模型的預期完全一致。

在此之前，有物理學家提出，此前看到的異常，可能只是標準模型里一些未被精確計算的長程強相互作用效應導致的，并非真的存在新物理。

但這次的詳細分析明確顯示，這些標準模型內的常規效應無法完全解釋觀測到的偏差，此前配套的分析也沒有發現顯著增強的長程效應。

這也讓新物理參與了這個衰變過程的可能性變得越來越大。

物理學家在論文中指出，這類與標準模型的張力，完全可以通過引入新物理模型來解釋，最典型的就是給有效四費米子bsμμ矢量耦合帶來額外貢獻的模型，而這類相互作用是標準模型中完全沒有的。

當然，現在的結果還沒有達到粒子物理界發現新物理的黃金標準——5個標準差，也就是偏差來自偶然漲落的概率低于千萬分之一。

但LHC還在持續升級，它已經進入第三輪運行期，未來的高亮度LHC還會采集到數十倍于現在的對撞數據，測量精度還會進一步提升。

如果這個異常始終存在，甚至隨著數據量增加變得更加顯著，那我們就將迎來粒子物理界半個多世紀以來最重大的突破。

標準模型在過去幾十年里，通過了無數次最嚴苛的檢驗，但它從來都不是宇宙的終極真理。

從暗物質到宇宙正反物質不對稱的謎題，太多的未知等著我們去解答。

而LHC地下管道里的每一次質子對撞，每一次對罕見衰變的精準捕捉，都是人類向著宇宙最深處的真相，邁出的堅實一步。