大型強子對撞機新粒子希望破滅

去年探測到的可能具有革命性的新粒子的可疑訊號被證明是僥倖

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幾個月來,物理學界一直充斥著關於一種潛在的新亞原子粒子的傳言,這種粒子可能會徹底改變我們對物理學的整個看法。但是,來自大型強子對撞機(LHC)的物理學家今天提出的新結果暫時扼殺了這場革命。 

2015年12月,大型強子對撞機(LHC)的兩個獨立實驗ATLAS和CMS各自宣佈了他們資料中同樣的誘人怪異之處,首次出現了新粒子的初步跡象。這兩項實驗都以接近光速的速度將質子撞擊在一起,尋找由巨大的高能碰撞產生的新基本粒子。當他們將能量提升到迄今為止的最高水平時,這兩項實驗都探測到一個神秘的訊號:比預期更多的能量為750吉電子伏特(GeV)的光子對。

這種“雙光子隆起”並不是物理學標準模型的預測——標準模型是20世紀70年代建立的經過嚴格檢驗且非常成功的理論,它包含了所有已知的基本粒子和力。然而,儘管標準模型取得了成功,但它並沒有解釋黑洞核心的奧秘、暗物質和暗能量的本質、引力的量子行為以及宇宙的其他深層奧秘。憑藉他們共享的雙光子隆起,ATLAS和CMS似乎即將窺探標準模型陳舊框架之外的物理學。幾周之內,這個小小的隆起激發了理論家們數百篇推測性論文。“在大型強子對撞機上,物理學家們正在非常 интенсивно 尋找新的粒子和新的物理定律,因此很容易對看似非常令人信服的東西感到興奮,”斯坦福大學SLAC國家加速器實驗室的理論物理學家邁克爾·佩斯金說。


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無論是什麼產生了微小的雙光子隆起,它都無法完全融入任何理論。許多科學家認為,這種隆起是由希格斯玻色子的一個較重的“表親”產生的,希格斯玻色子是另一種粒子,大約四年前也以類似的方式在資料中以令人驚訝的“一閃”形式出現。其他人則認為,它可能是一種暗物質粒子,甚至是廣受讚譽的引力子,即預測的引力載體粒子。

但是,隨著大型強子對撞機(LHC)的科學家們今年開始收集更多資料,750 GeV 的雙光子隆起開始消失。現在,在分析了近五倍於去年資料量的資料後,ATLAS和CMS物理學家們已經看到隆起減小到統計學上的不顯著。粒子物理學家和ATLAS發言人戴夫·查爾頓在芝加哥舉行的國際高能物理學會議上表示,當檢視所有資料時,750GeV 訊號現在的顯著性僅為 2 sigma,遠低於物理學中確認新發現所需的 5 sigma(或 350 萬分之一的機率)。簡而言之,雙光子隆起是虛驚一場。“令人有點驚訝的是,我們在兩種儀器上都看到了波動,但這僅僅是——波動或統計學上的僥倖,”查爾頓說。

在大型強子對撞機(LHC)的資料中看到異常現象並不罕見。對撞機將如此多的質子碰撞在一起併產生如此多的原始資料,以至於偶爾在殘骸中發現額外的光子對是必然會發生的。“如果你進行很多很多次搜尋,你就會遇到這類巧合,”LHCb合作組織的成員蓋伊·威爾金森說。

儘管雙光子隆起在更仔細的審查下已經消失,但研究人員仍然樂觀地認為,大型強子對撞機(LHC)仍將引導他們找到超越標準模型的新物理學。這個數十億美元的專案還有多年的執行時間,在此期間,它將產生更多的資料供物理學家解析,以尋找難以捉摸的新粒子。“如果我們在早期階段就發現了一些東西,一些新現象或某種新的物質狀態,那我們將非常幸運,”CMS物理學家蒂齊亞諾·坎波雷西說。“但我們必須要有耐心。”

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