來自世界最大粒子加速器大型強子對撞機 (LHC) 的一項一度充滿希望的新物理學跡象已經消失，這粉碎了物理學家們對重大發現的最大希望之一。
明顯的異常是電子和它們質量更大的表親μ子在某些粒子的衰變中出現時，其行為之間存在意外的差異。
但來自歐洲核子研究中心 (CERN)（歐洲的粒子物理實驗室，位於瑞士日內瓦附近，是大型強子對撞機的所在地）LHCb 實驗的最新結果表明，電子和μ子的產生速率最終還是相同的。
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“我的第一印象是，分析比以前更加可靠，”瑞士蘇黎世大學的實驗粒子物理學家弗洛倫西亞·卡內利說，她是另一個大型強子對撞機實驗的高階成員。她說，它揭示了許多令人驚訝的微妙之處是如何共同導致了明顯的異常現象。
洛桑瑞士聯邦理工學院的 LHCb 物理學家雷納託·誇利亞尼於 12 月 20 日在歐洲核子研究中心的一次研討會上報告了這些結果，該研討會吸引了 700 多名線上觀眾。LHCb 合作組織還在 arXiv 儲存庫上釋出了兩篇預印本。
不平衡衰變
LHCb 於 2014 年首次報告了μ子和電子產生中存在的微弱差異。當質子碰撞產生稱為 B 介子的大質量粒子時，這些粒子會迅速衰變。最常見的衰變模式產生另一種型別的介子，稱為 K 介子，以及成對的粒子及其反粒子——電子和正電子或μ子和反μ子。標準模型預測這兩種型別的粒子對應該以大致相同的頻率出現，但 LHCb 資料表明，電子-正電子對的出現頻率更高。
粒子物理實驗經常產生早期結果，這些結果略微偏離標準模型，但隨著實驗收集更多資料，結果證明是統計上的僥倖。但這次沒有發生這種情況。相反，隨著時間的推移，B介子異常現象似乎變得更加明顯，達到了稱為 3 西格瑪的置信水平——儘管它仍然沒有達到通常用於聲稱發現的顯著性水平，即 5 西格瑪。對 B 介子的大量相關測量也揭示了與基於粒子物理標準模型的理論預測的偏差。
本週報告的結果包括比之前 LHCb 測量的B介子衰變更多的資料，以及對可能存在的混淆因素的更徹底研究。LHCb 發言人、英國曼徹斯特大學的物理學家克里斯·帕克斯說，早期涉及 K 介子的測量中出現的明顯差異部分是由於將其他一些粒子誤認為電子造成的。儘管大型強子對撞機實驗擅長捕捉μ子，但電子對它們來說更難探測。
重新聚焦搜尋
這個結果可能會讓許多理論家感到失望，他們花費了大量時間試圖提出可以解釋這些異常現象的模型。“我確信人們會希望我們找到標準模型中的裂縫，”帕克斯說，但最終，“你用你擁有的資料做最好的分析，然後看看大自然給你什麼”，他說。“這才是科學的真正運作方式。”
雖然最新的結果已經傳聞了幾個月，但其證實仍然令人驚訝，蘇黎世大學的理論物理學家吉諾·伊西多里（他參加了歐洲核子研究中心的會談）說，因為一個連貫的圖景似乎正在從相關的異常現象中浮現出來。這可能指向先前未見過的基本粒子的存在，這些粒子會影響 B 介子的衰變。伊西多里讚揚 LHCb 合作組織“誠實地”承認其先前的分析存在問題，但他感到遺憾的是，合作組織花了這麼長時間才發現這些問題。
然而，伊西多里補充說，包括一些在不涉及 K 介子的 B 介子衰變中記錄的其他異常現象，仍然可能是真實的。“並非一切都失去了。”
倫敦瑪麗女王大學的實驗物理學家馬塞拉·博納也同意，她也是另一項大型強子對撞機實驗的成員。“看起來理論家們已經在考慮如何安慰自己並重新聚焦。”
新物理學的剩餘希望跡象包括一項測量，該測量發現被稱為 W 玻色子的粒子的質量大於預期，該結果於 4 月份宣佈。但是，另一個也涉及μ子的異常現象可能正在消失。μ子的磁矩似乎比標準模型預測的要強，但是最新的理論計算表明，它畢竟不是。相反，這種差異可能源於對標準模型預測的誤算。
本文經許可轉載，並於2022 年 12 月 20 日首次發表。