幾十年來，物理學家一直在尋找行為不端的粒子的跡象——證明粒子物理學“標準模型”中存在細微裂縫的證據，該模型是描述我們宇宙最基本組成部分的支配性理論。儘管標準模型已被證明非常準確，但科學家們早就知道需要進行一些調整。現在，正如最近在《自然》雜誌上發表的評論文章所記錄的那樣，實驗人員已經開始看到一些粒子違反該理論的跡象——但它們並非理論家們所尋找的那種違規行為。
證據來自電子及其質量更大的同類粒子，即μ子和τ輕子。根據標準模型，這三種粒子應該像大小不同但其他方面相同的三個一組。但三個實驗產生了越來越多的證據——包括最近幾個月宣佈的結果——表明這些粒子對某些尚未被發現的神秘影響的反應不同。這些發現尚未最終確定，但如果它們成立，“這將是一場徹底的革命”，加州理工學院的理論家馬克·懷斯說。
誘人的跡象
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標準模型的動搖將是巨大的。自 20 世紀後期該理論被充實以來，它已經構成了粒子物理學研究的基石。它將宇宙劃分為構成所有物質的 12 種基本粒子，以及傳遞自然基本力的“力載體”粒子。（例如，粒子透過交換瞬態光子來施加電力或磁力。）然而，儘管取得了成功，標準模型並沒有預測任何可以解釋引力或被認為在太空中無形存在的暗物質的東西。為了將粒子物理學與這些更大規模的觀測結果結合起來，理論家們提出了各種“新物理學”——超越標準模型範疇的物質或力。但大多數實驗都頑固地堅持著該理論，並且令人印象深刻，沒有發現假設的粒子或力的證據。
然而，自 2012 年以來，粒子行為不端的跡象開始從標準模型的一個較少探索的角落浮現出來：一種稱為“輕子普適性”的模式。這裡的“輕子”指的是包括電子、μ子和τ子的粒子類別。標準模型預測這三種物質應該以完全相同的方式與其他粒子相互作用，除了它們獨特的質量造成的差異之外——行為的共同性是輕子普適性中的第二項。
第一個輕子驚喜出現在 2012 年在加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室進行的 BaBar 實驗中公佈的結果中。BaBar 的粒子加速器將電子和它們的反物質等效物（稱為正電子）撞擊在一起。碰撞產生了許多重但不穩定的複合粒子：它們的行為就像具有驚人放射性的鈾原子，在衰變成越來越小的粒子之前僅持續幾納秒的分數。最終產物噴射到加速器的探測器中，使科學家能夠重建粒子衰變的鏈條。如果標準模型是正確的，那麼 BaBar 團隊檢查的兩種衰變型別產生τ子的頻率應該只有電子的 25% 到 30%，電子更輕，因此更容易產生。但事實並非如此。τ子比它們應該出現的頻率高得多，暗示τ子和電子之間存在超出其質量的差異。
BaBar 的結果僅僅是個開始。另外兩個實驗，瑞士大型強子對撞機的 LHCb 實驗和日本高能加速器研究機構的 Belle 實驗，研究了相同的衰變，並在 2015 年發表了類似的結果。Belle 與 BaBar 一樣，碰撞電子和正電子。但 LHCb 以更高的能量碰撞質子和質子，並使用不同的方法檢測產物。這些差異使得人們難以將這些結果視為實驗錯誤，從而增加了這種異常現象真實存在的可能性。
此外，LHCb 還在另一種產生輕子的衰變型別中發現了輕子普適性違反的跡象，並在幾個月前宣佈了第四種衰變型別的可能偏差。就在上個月，它報告說在相關的衰變中，電子和μ子（而不是τ子）之間也存在類似的差異。所有這些相互印證的證據越來越有力地證明，有些事情繫統性地不正常。“如果[這些偏差]被證實是真實存在的，”BaBar 的發言人兼維多利亞大學教授邁克爾·羅尼說，“如果它們沒有關聯，那將會很奇怪。”
一場革命——如果它是真實的
如果各種輕子的行為真的不同，唯一的解釋將是某種先前未被識別的力。根據標準模型，較大的粒子透過“弱力”衰變為輕子（和其他產物），弱力是導致某些形式的放射性衰變的原因。*但弱力平等地對待所有輕子。如果產生的τ子比弱力應該產生的多，那麼某種未知的力，與某種未被發現的伴隨力載體粒子有關，必須以一種偏愛τ子的方式分解較大的粒子。發現這樣一種力將與發現電磁力一樣重要，儘管對我們日常生活的影響要小得多。“這確實構成了一場物理學革命，儘管略微誇張，”馬里蘭大學帕克分校的物理學家兼 LHCb 合作成員哈桑·賈瓦赫裡說。
由於其影響將是如此巨大，物理學家將要求壓倒性的證據——實驗人員充分意識到這一負擔。 《自然》評論的作者之一、阿姆斯特丹 Nikhef 國家亞原子物理研究所的博士後研究員格雷格·切扎雷克說，輕子普適性違規行為“將屬於提出非凡主張的範疇”，正如諺語所說，這需要非凡的證據。**羅尼總結了這種懷疑：“你不會與標準模型打賭。”
迄今為止的證據並非微不足道。綜合所有資料，τ子/電子偏差僅僅是統計誤差的機率現在約為萬分之一。對於任何日常問題，這都綽綽有餘。但粒子物理學家是一群持懷疑態度的人；在錯誤警報的機率僅為 350 萬分之一之前，該團體不會認為一項發現得到證實。正如一些“時間上更先進”的科學家可以證明的那樣，他們以前曾被這種錯誤灼傷過，勞倫斯伯克利國家實驗室的理論物理學教授佐爾坦·利蓋蒂說。“我們過去也看到過類似的波動，它們來來去去。”
考慮到輕子普適性與理論家對標準模型中可能出現裂縫的期望相差甚遠，這些證據更難令人接受。“理論家們講述了一個故事，”懷斯說，“而這並不在故事線中。”更糟糕的是，對輕子行為的擬議解釋似乎是臨時的且令人不滿意的。“可以適應……異常的模型實際上並沒有在第一眼就做任何其他事情，”利蓋蒂說。“例如，它們並沒有讓你更接近理解暗物質可能是什麼。”
儘管如此，他補充說，“自然告訴我們自然是什麼樣的。”物理學家們越來越注意到違規行為的持續存在，並提出了新的理論解釋。實驗家和理論家都在尋求減少現有測量的測量不確定性。最終，最大的啟示將來自 LHCb 和下一版本的 Belle 產生更多資料。物理學家們樂觀地認為，大約在五年內，我們不僅會知道這種效應是否真實存在，而且我們還會對其做出解釋。“如果存在新的[力載體]粒子，”斯洛維尼亞盧布林雅那大學的理論家斯維特拉娜·法伊費爾說，“[它]應該具有 LHC 可以達到的質量”，這意味著對撞機應該能夠產生並識別這樣的粒子。對於一些理論家來說，這種可測試性具有很大的吸引力。“這實際上讓人感到興奮，因為如果我做某事，它可以被證明是對還是錯，”利蓋蒂說。“無論如何，情況都會變得明朗。”
*編者注（2017 年 8 月 14 日）：這句話在釋出後進行了編輯，以澄清原文。
**編者注：(2017 年 8 月 14 日)：這句話在釋出後進行了編輯。原文錯誤地將評論的主要作者歸因於格雷格·切扎雷克。