大型强子对撞机不断增长的反常现象带来了希望

当质子在欧洲的大型强子对撞机上撞在一起时，随之而来的是一系列混乱的事件，其中一个粒子突然出现，似乎以一种特殊的方式碎裂了。

所有人的目光都集中在B介子上，这是一对扭曲的夸克粒子。在之前捕捉到了一些意想不到的B介子行为的迹象后，大型强子对撞机美容实验(LHCb)的研究人员花了几年的时间记录下了以这些粒子为特征的罕见碰撞事件，希望最终证明某种新的基本粒子或效应正在干预它们。

在3月份的一次研讨会上首次公布的最新分析中，LHCb物理学家发现，涉及B介子衰变的几个测量结果与粒子物理标准模型(Standard Model Of Particle Physical)的预测略有冲突-粒子物理标准模型是描述亚原子世界的一组占主导地位的方程。单独来看，每一个奇怪的现象看起来都像是一个统计波动，它们可能都会随着额外的数据而蒸发，就像以前发生的那样。但他们的集体漂移表明，这些像差可能是导致超越标准模型的面包屑，从而形成更完整的理论。

伦敦帝国理工学院(Imperial College London)粒子物理学家米泰什·帕特尔(Mitesh Patel)是LHCb的一员，他说，“当然，在我的工作生涯中，这是第一次不同衰变的汇合，显示出与之匹配的异常情况。”

B介子之所以这样命名，是因为它包含一个底夸克，这是占宇宙大部分可见物质的六个基本夸克粒子之一。由于未知的原因，夸克分为三代：重、中、轻，每个夸克都带有相反电荷的夸克。较重的夸克衰变成较轻的变种，几乎总是会改变它们的电荷。例如，当B介子中带负电的重底夸克下降一代时，它通常会变成一个中等重量、带正电的“魅力”夸克。

LHCb的合作在粒子堆积的残骸中搜寻这一规则的例外情况。他们每看到一百万个B介子衰变，就有一个边缘事件展示了一个叛逆的底夸克变成了一个“奇怪的”夸克，丢掉了一代人，但保留了它的负电荷。标准模型预测了这些事件的极低发生率以及它们将如何发展。但由于它们是如此罕见，任何来自未被发现的粒子或效果的调整都应该是显而易见的。

LHCb的新分析涵盖了大约4500个罕见的B介子衰变，大约是他们在2015年之前研究的数据的两倍。每一次转换都以四个出站粒子撞击环形探测器而结束。当实验者将粒子之间的各种角度与标准模型预测的角度进行比较时，他们发现与预期的模式有偏差。自上次分析以来，异常角度的集体意义略有增加，研究人员表示，新的测量结果也讲述了一个更统一的故事。“突然之间，不同角度的观测数据之间的一致性变得更好了，”LHCB研究员菲利克斯·克雷斯(Felix Kress)说，他帮助处理了这些数据。

据统计，角度模式的偏差相当于抛硬币100次，得到66个头，而不是通常的50个左右。对于一枚公平的硬币来说，出现这种偏差的几率约为千分之一。

但是，在大量的粒子碰撞中，统计波动必然会出现，所以千分之一的偏差并不能算作与标准模型决裂的确凿证据。为此，物理学家将需要积累足够的B介子衰变来证明170万人中有1人的偏差，这类似于翻转75个头。“如果这是新的物理学，”辛辛那提大学的理论物理学家朱尔·祖潘(Jure Zupan)在谈到目前的更新时说，“还不够重要。”

尽管如此，观察到的模式暗示，轻子家族中的B介子衰变产物有些不对劲，轻子家族是除夸克之外的另一类物质粒子。和夸克一样，轻子有重、中、轻三代(分别称为τ粒子、µ子和电子)；标准模型说，除了它们的质量之外，它们都是相同的。每一个B介子衰变都以射出这三种轻子中的一对孪生轻子而结束。LHCb的最新更新集中在µ子事件产生的反常角度图案上，这是最容易检测到的。

该实验还记录了数量较少的以电子结尾的B介子衰变。标准模型要求两种类型的衰变应该以完全相同的方式进行，但LHCb团队在2014年的一项分析中发现了µ子事件和电子事件之间可能存在的差异。综上所述，这些反常可能意味着新奇之处不仅在于µ子，也在于电子。

帕特尔的团队目前正在更新电子对µ子的测量，他说这比单独的µ子角度测量更“干净”、更明确的观测。“这是一个标准模型杀手，”他说。

如果B介子反常是真实的，物理学家有两种主要的理论来解释它们。

一种名为Zʹ玻色子的新的假想载力粒子将类似于将一种物质粒子转变为另一种物质粒子的标准弱力，只是它对电子和µ子的影响不同。作为额外的好处，Zʹ玻色子还意味着存在一个额外的大质量粒子，可以弥补宇宙中缺失的暗物质。巴塞罗那自治大学的理论物理学家Joaquim Matias说，“我们正在进入下一步，不仅试图解释这种异常现象，还试图将这种异常现象与其他问题联系起来，”巴塞罗那自治大学的理论物理学家若阿金·马蒂亚斯(Joaquim Matias)说。

更奇特的可能性是，LHCb的研究人员正在探测到一种传说中的粒子-轻夸克-的迹象，这种粒子可以将夸克变成轻子，反之亦然。理论家们长期以来一直在考虑细夸克的可能性，但随着实验排除了最简单的类型，这个想法变得不那么受欢迎了。尽管如此，三代夸克族谱看起来很像轻子族谱，这两种模式都没有得到很好的理解。衰变的B介子可能揭示了它们之间的一种细夸克联系。“这就是我的梦想，”祖潘说。

当理论家们考虑这些可能性时，LHCb团队将不得不看看他们是否能抛出足够的头来证明他们的硬币绝对不是标准的-这一努力可能需要十年的剩余时间。

然而，最终粒子物理界将等待来自不同仪器的确认，例如日本的Belle II实验，或者大型强子对撞机的两个主要探测器之一。无论是证明还是消除B介子反常都将是一项艰巨的工作，但研究人员拥有他们所需的所有工具。“有了四个可以参与的实验，”祖潘说，“前景是光明的。”