在最小的尺度上，宇宙中的一切都可以分解成稱為粒子的基本單元。“標準模型”是粒子物理學的主流理論，它描述了少量已知物種，這些物種以無數種方式結合在一起，構建我們周圍的物質並傳遞自然力。然而，物理學家知道這些粒子不可能是全部——例如，它們沒有解釋似乎構成宇宙大部分質量的暗物質或暗能量。現在，兩個實驗觀察到粒子的行為方式不符合任何已知的物理定律，這可能表明存在某種超出標準範疇的新型粒子。結果尚未完全證實，但兩個碰撞不同型別粒子的實驗都看到了類似的效果，並且在 2012 年第三個粒子對撞機也出現了這種行為的跡象，這讓許多物理學家感到興奮。“這真的很奇怪，”加州理工學院的理論家馬克·懷斯說，他沒有參與這些實驗。“這種差異很大，而且似乎有非常可靠的基礎。這可能是我們見過的對標準模型最強烈、最持久的偏離。” 在標準模型中發現這樣的裂縫令人興奮，因為它暗示了一條潛在的路徑，可以將模型擴充套件到目前已知的粒子之外。
令人驚訝的結果來自瑞士大型強子對撞機 (LHC) 的 LHCb 實驗和日本高能加速器研究機構 (KEK) 的 Belle 實驗。兩者都觀察到，當被稱為 B 介子的粒子（由一個底夸克和一個反夸克構成）衰變時，某些型別的輕子數量比其他型別多。輕子是一類包括電子及其較重近親μ子和τ子的粒子。標準模型的一個原則稱為輕子普適性，它指出所有輕子都應受到弱相互作用的同等對待，弱相互作用是負責放射性衰變的基本力。但是，當實驗觀察到大量 B 介子衰變時，本應在其最終產物中產生相等數量的電子、μ子和τ子（在考慮粒子的不同質量之後），但衰變實際上產生了更多的τ子。
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LHC 將質子與質子碰撞，而 Belle 加速器則將電子與其反物質對應物正電子碰撞。 然而，這兩種型別的碰撞有時都會產生 B 介子，從而使每個實驗都能夠測量不穩定介子衰變時的最終產物。在 9 月 11 日的物理評論快報中發表的一篇論文中，LHCb 團隊宣佈他們觀察到τ子數量可能超出標準模型預測的頻率約 25% 至 30%。Belle 在一份提交給 物理評論 D 審閱的論文中報告的資料中看到了類似但不太明顯的效果。兩個團隊都在 5 月於日本名古屋舉行的 2015 年味物理與 CP 破壞會議上分享了他們的發現。
有趣的是，這兩個結果也與 2012 年（以及在 2013 年中擴充套件）由位於加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室的 BaBar 實驗得出的早期發現一致。“就其本身而言，Belle 的結果和 LHCb 的結果都沒有明顯偏離標準模型，”夏威夷大學的 Belle 團隊成員湯姆·布勞德說，他也是其後繼專案 Belle II 的發言人。“結合 BaBar，我們可以做出一個‘世界平均值’（結合所有結果），它與標準模型相差 3.9 個西格瑪。” 西格瑪是指標準偏差——對發散的統計測量——物理學家通常宣佈發現的閾值是 5 個西格瑪。雖然 3.9 個西格瑪的差異並沒有完全達到標準，但這表明這種效應隨機發生的機率僅為 0.011%。勞倫斯伯克利國家實驗室的理論家佐爾坦·利蓋蒂說：“目前，我們有三個暗示性但不確鑿的證據表明，存在一個非常有趣的效應”，他沒有參與這些實驗。“隨著實驗收集更多資料，我們應該會在幾年內明確答案。”
如果這種差異是真實的，而不是統計上的僥倖，那麼研究人員將面臨弄清楚它意味著什麼的艱鉅挑戰。“這種效應實際上不是大多數物理學家所期望的那種，”利蓋蒂說。“它不容易被納入最流行的模型中。從這個意義上說，它相當令人驚訝。”
例如，所謂“新物理學”或超出標準模型思想的寵兒——超對稱性——通常不會預測出這樣的效應。超對稱性假設了大量尚未發現的粒子，以映象已知的粒子。然而，它預測的粒子中沒有一個能輕易產生這種違反輕子普適性的行為。“我認為目前我們不能說這指向超對稱性，”馬里蘭大學的物理學家和 LHCb 合作組織的成員哈桑·賈瓦赫裡說，“但這不一定會違反超對稱性。”
然而，如果訊號是真實的，那麼可能涉及到某種新的粒子。在所有 B 介子衰變中，在某個時刻會產生一個較重的“虛”粒子，然後迅速消失——這是一種量子力學允許的奇怪現象。在標準模型中，這個虛粒子始終是 W 玻色子（一種傳遞弱力的粒子），它與所有輕子的相互作用相同。但是，如果虛粒子是更奇特的東西，它與每個輕子的相互作用不同，具體取決於其質量，那麼最終可能會產生更多的 τ 子，因為 τ 子是最重的輕子（因此可能與虛粒子相互作用更強）。
新的希格斯玻色子還是輕夸克？
虛粒子一個潛在的吸引人的候選者是一種新型希格斯玻色子，它比 2012 年在大型強子對撞機上備受矚目地發現的粒子更重。人們認為，已知的希格斯玻色子賦予所有其他粒子質量。除了比這個已知粒子更重之外，新的希格斯玻色子還將具有其他不同的特性——例如，為了影響 B 介子衰變，它必須具有電磁電荷，而已知的希格斯玻色子沒有。“這將意味著我們迄今為止發現的一個希格斯玻色子不是唯一負責為所有粒子產生質量的粒子，”賈瓦赫裡說。事實上，超對稱性預測了超出我們所知範圍的額外希格斯玻色子。然而，在該模型的大多數形式中，這些預測的希格斯粒子不會產生與實驗中出現的一樣大的差異。
另一個選擇是更奇特的假設粒子，稱為 輕夸克——夸克和輕子的複合體，它從未在自然界中被觀察到。這個粒子也會比 μ 子和電子與 τ 子的相互作用更強。“在某些型別的模型中，輕夸克可以非常自然地出現，”利蓋蒂說。“但是，沒有理由期望它們的質量像解釋這些資料所需的質量那樣低。我認為大多數理論家目前不會認為這些模型特別引人注目。”
事實上，理論家迄今為止可以想到的所有對觀測結果的解釋都有些不盡如人意——而且在解決物理學中任何更大的突出問題（例如什麼構成暗物質或暗能量的問題）方面沒有太大作用。“這些模型沒有什麼好的地方——它們只是為了解釋這個事實而拼湊起來的，而不是為了解決其他事實的麻煩，”懷斯說。“但僅僅因為理論家不滿意，自然界就會做自然界所做的事。”
還有一種可能性，儘管很小，但物理學家可能錯誤地計算了標準模型的預測，並且現行的規則仍然適用。“標準模型的計算可能不正確，但最近的計算沒有發現任何嚴重的問題，”加拿大維多利亞大學的 BaBar 實驗發言人邁克爾·羅尼說。“實驗也有可能遺漏了一些更傳統的解釋，但 LHCb 和 BaBar 的實驗條件非常不同。在 BaBar，我們一直在以不同的方式挖掘我們的資料，但這種效應仍然存在。”
物理學家們樂觀地認為，隨著更多資料的出現，這個謎團很快就會解開。4 月，大型強子對撞機開始以更高的能量執行碰撞，這對於 LHCb 來說意味著會產生更多的 B 介子，以及更多尋找差異的機會。與此同時，Belle 正在計劃一項升級實驗，並計劃在 2018 年開始收集資料的改進型探測器 Belle II。兩個實驗最終都應該找到更多資料來證實這種效應，或者如果它只是統計上的僥倖，就看到它消失。“如果它存在，那麼我們在未來十年將有一個巨大的專案來更詳細地研究它，”賈瓦赫裡說。“到那時，我們希望知道它也意味著什麼，而不僅僅是它存在。”