打破規則的粒子在世界各地的實驗中湧現

打破規則是令人興奮的，尤其是當這些規則已經存在很長時間時。這不僅在生活中是如此，在粒子物理學中也是如此。我這裡想到的規則被稱為“輕子味普適性”，它是我們粒子物理學標準模型的預測之一，該模型描述了所有已知的基本粒子及其相互作用（引力除外）。在標準模型發明後的幾十年裡，粒子似乎都遵守這條規則。

情況在 2004 年開始發生變化，當時長島布魯克海文國家實驗室的 E821 實驗宣佈了其對 μ 子（電子的重型版本）的屬性——稱為 g 因子——的測量結果。測量結果與標準模型的預測不符。μ 子和電子都是一類稱為輕子的粒子（以及第三種粒子 τ 子，以及三代中微子）。輕子味普適性規則指出，由於電子和 μ 子都是帶電輕子，它們應該以相同的方式與其他粒子相互作用（除了與希格斯粒子相關的小差異）。如果它們不這樣做，那麼它們就違反了輕子味普適性——而意外的 g 因子測量結果表明這正是正在發生的事情。

如果粒子真的打破了這條規則，那本身就很令人興奮，而且還因為物理學家認為標準模型不可能是自然的終極理論。該理論無法解釋為什麼中微子有質量，也無法解釋構成似乎主導宇宙的不可見暗物質，也無法解釋為什麼在早期宇宙中物質戰勝了反物質。因此，標準模型必然只是一種近似描述，我們需要透過新增新的粒子和相互作用來補充它。物理學家已經提出了大量的此類擴充套件，但最多隻有其中一種理論是正確的，而且到目前為止，還沒有任何一種理論得到直接證實。對標準模型的測量違反將是一束手電筒，為我們尋求的更高理論指明方向。

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厄爾巴島之旅

e821 實驗和神秘的 μ 子行為的發現發生在我進入粒子物理學領域之前。大約 10 年前，當我在瑞士伯爾尼擔任博士後時，我受邀參加一個關於擬議的 SuperB 對撞機的會議，該對撞機將在羅馬附近的托爾韋爾加塔建造，我開始參與輕子味普適性違反的工作。會議在風景如畫的義大利厄爾巴島第勒尼安海上舉行。雖然風景如畫，但該島並不容易到達。邀請函發出得很倉促；我很快預訂了去比薩的火車，但錯過了會議巴士。幸運的是，兩位組織者主動提出開車帶我去厄爾巴島。事實證明，這次搭便車是幸運的。

當我們駕車穿過美麗的風景時，我們聊起了物理學。其中一位科學家，一位名叫歐金尼奧·保羅尼的實驗家，問我對加利福尼亞州 BaBar 實驗對 B 介子衰變的新測量結果有何看法，該結果指向違反輕子味普適性。B 介子是含有美夸克的粒子，它們是物理學家最喜歡研究的粒子之一，因為它們以多種方式衰變，有可能揭示新的物理學秘密。我沒有聽說過 BaBar 的結果，可能是因為當時它沒有引起太多關注。但我很快想到了一種可能的解釋來解釋測量結果——一個新的希格斯玻色子，除了我們已知的那個傳統玻色子之外，可能會導致 BaBar 看到的現象。我對輕子味普適性違反主題的興趣由此產生。

研討會的其餘部分平淡無奇。第一天之後，重點是對撞機的開發，作為一名理論家，我一句也聽不懂實驗家們在說什麼。所以我享受了厄爾巴島，並撰寫了一篇關於我的希格斯玻色子想法的論文，我在回到伯爾尼後不久完成了這篇論文。這篇文章發表了，但不幸的是，SuperB 專案被取消了，我的同事們對這篇論文的反應並不熱情，至少可以這麼說：“一年後，新物理學將沒有什麼可解釋的了”是典型的回應，這意味著測量結果可能是一個統計僥倖，異常現象會隨著更多資料的出現而消失。

在 BaBar 發現之後的一段時間裡，沒有出現與這個問題相關的新結果，事情變得平靜下來。但是，在 2013 年，日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機 (LHC) 上的 LHCb 實驗觀察到，在與 B 介子衰變方式相關的複雜量 P′₅（“P-五-撇”）中，存在與標準模型預測的偏差。從表面上看，這個量與輕子味普適性無關，起初我並沒有覺得這個測量結果非常令人興奮。然而，一年後，當 LHCb 分析了一個名為 R(K) 的比率時，我的感覺發生了變化，該比率是輕子味普適性違反的度量。實驗發現與標準預期的偏差，並且與 P′₅ 發現結果一致，表明 μ 子中可能正在發生一些新現象。

不久之後，故事迎來了一個轉折點，又是在一次會議上。這一次又是在義大利，在阿爾卑斯山迷人的拉蒂勒村莊，靠近勃朗峰。在滑雪休息後的下午會議期間，發生了日偏食。同樣令人驚奇的是，LHCb 的科學家宣佈了一項結果，該結果以更多的統計資料證實了之前的 P′₅ 測量結果——我的理論朋友華金·馬蒂亞斯（被稱為 Quim）和大衛·施特勞布同意對這些資料進行解釋。他們以前從未達成過一致。在感謝演講者後，我對聽眾說：“今天我們見證了一個罕見的事件，日偏食；然而，Quim 和 David 第一次達成一致就更令人矚目了。”

從那時起，輕子味普適性違反的證據一直在增加。輕子普適性是一條古老的規則，自從我們上次看到標準模型的一部分被推翻以來已經過去了許多年。如果這條規則真的被打破了，那麼宇宙中一定存在我們不知道的新相互作用和新粒子——可能是可以幫助解決我們這個時代一些最大謎團的粒子。

迴歸基礎

為了充分理解輕子味普適性及其違反意味著什麼，我們首先必須回顧亞原子尺度上已知的物質組成部分以及它們之間的相互作用——即標準模型。物質的組成部分被稱為費米子，以偉大的物理學家恩里科·費米的名字命名。這些物質粒子有三種版本，稱為世代，除了質量之外，它們在各方面都相同。例如，電子有更重的版本，稱為 μ 子和 τ 子，上夸克有更重的親戚，稱為粲夸克和頂夸克，而下夸克後面跟著奇異夸克和美夸克。只有輕味是穩定的——它們構成了我們世界由之組成的普通物質。（兩個上夸克和一個下夸克構成一個質子，一個上夸克和兩個下夸克構成一箇中子。）

除了這些粒子之外，費米子還可以透過三種力相互作用：弱力、強力和電磁力（標準模型中忽略了引力，因為它在亞原子尺度上極其微弱）。相應的力粒子稱為 W 和 Z 玻色子（對於弱力）、膠子（對於強力）和光子（對於電磁力）。至關重要的是，這些相互作用都不會區分三代費米子。區分不同味的唯一因素是著名的希格斯玻色子，它負責費米子的不同質量。

或者我們曾經這樣認為。如果輕子不是普適的——如果存在區分不同世代的力——那麼一些有趣的事情正在發生。我們有四個不同的跡象表明輕子味普適性可能不成立。

b → sl⁺l⁻

第一個跡象來自對標記為 b → sl⁺l⁻ 的粒子衰變過程的測量，其中 b 代表美夸克，s 代表奇異夸克，l 代表帶電輕子（電子或 μ 子）。在這個過程中，美夸克變成奇異夸克併產生一對輕子——具體來說，是一個輕子及其反物質夥伴。我們預計這些型別的衰變產生 μ 子的頻率大約與產生電子的頻率相同。然而，測量這些過程的實驗，例如 LHCb，觀察到電子多於 μ 子，這表明存在不平衡。現在的綜合實驗資料表明，這種差異僅僅是統計僥倖的機率最多為 0.0001%。

理論家已經提出了各種新的粒子和力，可以比標準模型更好地描述資料。有人可能會問，如何透過新增新粒子來解釋 μ 子的缺乏？透過新增來解釋不足似乎是矛盾的，但這隻在經典物理學中才是這樣。在量子領域，這完全說得通。由於所有粒子也具有波動性，量子力學預測了所謂的虛粒子，它們在空曠的空間中不斷出現和消失。這些粒子會干擾規則粒子的衰變過程，導致衰變率與標準模型的預測發生變化。例如，這裡的一種可能性是，美夸克在變成其通常的衰變產物的過程中，短暫地與一個虛重的版本相互作用，一個新的 Z 玻色子（稱為 Z′），與標準的 Z 粒子相反，它確實區分 μ 子和電子。

b → clυ

輕子普適性違反的第二個證據來自觀察美夸克衰變為粲夸克 (c)、一個輕子 (l) 和一箇中微子 (υ)。在這裡，τ 輕子的預期頻率低於 μ 子或電子，因為它們更重。然而，BaBar、LHCb 和日本的一項名為 Belle 的實驗等實驗發現，衰變為 τ 粒子的頻率高於預期。此外，衰變為 μ 子和電子的衰變顯示出標準模型中不期望的相對不對稱性。同樣，虛粒子可能正在干擾通常的衰變途徑。例如，美夸克可能與虛帶電希格斯粒子相互作用，例如我在 2012 年提出的那種（儘管這個模型現在存在一些問題），或者與另一種提議的新型粒子（稱為輕子夸克）相互作用。

卡比博角異常和 qq→e⁺e⁻

另一個有趣的訊號來自某些稱為核 β 衰變的放射性衰變。實驗觀察到這些衰變的發生頻率低於預期。β 衰變發生在原子核內，當下夸克轉變為上夸克，反之亦然時，允許中子透過發射電子和反中微子或正電子（電子的反物質對應物）和中微子來變成質子，或反之亦然。當物理學家將他們的測量結果與改進的理論計算相結合時，他們意識到原子核內的粒子壽命比預期的要長。這一發現被稱為卡比博角異常，可以解釋為電子和 μ 子的行為可能不同的另一個跡象。

此外，LHC 的 CMS 實驗觀察到兩個質子的碰撞導致高能電子 (qq→e⁺e⁻)，並發現與 μ 子相比，產生的電子更多，這再次指向違反輕子味普適性。這項測量和卡比博角異常可能相關，因為相同的相互作用可能抑制放射性衰變，但也可能增強高能電子的產生。

μ 子的磁矩

這個術語描述了 μ 子與磁場相互作用的強度。物理學家用 g 因子來量化它，我們可以用標準模型非常精確地預測它。然而，布魯克海文實驗和費米實驗室 G-2 實驗的結果偏離了這個預測。G-2 專案將 μ 子送入磁化環中，並測量它們在行進過程中自旋如何變化。如果 μ 子單獨在實驗中，它們的自旋不會改變——但它們周圍產生的虛粒子可以拉動 μ 子，使它們的自旋產生擺動。當然，已知的粒子可以作為虛粒子出現以引起這種效應，但標準模型計算考慮到了這一點。然而，如果自然界中存在比我們意識到的更多的粒子，實驗將看到額外的擺動——而且確實如此。

G-2 實驗和之前在布魯克海文的試驗的綜合結果表明，這種異常是統計僥倖的機率小於 0.01%。然而，支援這種計算的標準模型預測本身是值得懷疑的。它基於其他實驗結果（例如，來自 BaBar 和義大利 KLOE 專案的結果），這些結果與最近在超級計算機上進行的量子場論模擬結果不符。

新的粒子動物園

如果我們必須擴充套件標準模型來解釋這些異常現象，我們應該怎麼做？換句話說，我們如何修改描述自然的方程，以便理論和實驗相符？

一類有希望解釋這些測量結果的粒子被稱為輕子夸克。它們將單個夸克直接連線到單個輕子：例如，輕子可以透過發射輕子夸克轉變為夸克——這與標準模型中的任何相互作用都不同。這樣的粒子將是完全新的。過去，在旨在統一標準模型中不同力的高能大統一理論的背景下，已經提出了這種粒子。然而，這些高能量將對應於非常重的粒子。物理學家需要改變現有的大統一模型，以建立一個足夠輕的輕子夸克來影響我們討論過的測量結果。

另一種選擇涉及其他新粒子，例如重費米子、重“標量”粒子（包括新的希格斯玻色子）或新型規範玻色子（類似於 W 和 Z 玻色子）。預測此類粒子的一個有趣方法是使用包含除了我們的四維（三個空間維度和一個時間維度）之外，至少一個額外維度（緊湊摺疊並隱藏在我們已知的維度中）的理論。

儘管我們獲得的這些新現象的暗示非常有趣——至少在我看來是這樣——但至關重要的是，我們需要用更多、更精確的資料和更準確的理論計算來證實這些暗示。世界各地的許多實驗和理論合作都在努力應對這一挑戰。其中包括 LHCb 實驗，該實驗在 LHC 於 2022 年夏季開始最新執行時開始收集新資料。日本的 Belle II 實驗也致力於研究 B 介子衰變，也在收集新的證據。如果這些異常現象中的任何一個得到證實，都將證明新粒子或相互作用的存在。此外，這將意味著新粒子必須具有可以在 LHC 或未來對撞機上直接探測到的質量。這些新型粒子也會影響我們可以觀察到的其他現象，從而使物理學家能夠對新粒子的性質進行補充測試。

未來的加速器可以提供進一步的見解。電子-正電子對撞機，例如計劃在 CERN 建造的未來環形對撞機 (FCC-ee) 或計劃在中國建造的環形電子正電子對撞機 (CEPC)，應該具有足夠高的亮度（意味著它產生足夠的碰撞）來產生大量的 Z 玻色子。這些對於以多種方式觀察標準模型中預測的偏差非常有用。首先，大多數異常現象，特別是 μ 子的反常磁矩，會影響 Z 衰變，例如 Z 玻色子變成 μ 子和反物質 μ 子。其次，FCC-ee 預期的 Z 玻色子將產生空前數量的美夸克和 τ 輕子。大量這些粒子將允許對衰變過程進行精確測試，我們期望在這些過程中看到來自新粒子的影響——這些影響目前是無法檢測到的，因為我們缺乏足夠的資料來看到強烈的訊號。

電子-正電子對撞機可能會在 2040 年左右開始執行。之後，物理學家希望在同一隧道中碰撞質子（屆時該機器將被稱為 FCC-hh），產生更高的能量並有可能直接產生粒子。然而，這樣的對撞機可能要到 2060 年之後才會開放。我需要非常健康的生活方式才能看到我研究過的模型之一得到證實。

我們正處於探索的激動人心的時刻。結果不斷更新和受到質疑。最近，新的理論計算加強了 b → sl⁺l⁻ 和 b → clν 衰變中新物理學的案例；與此同時，有傳言稱相應的實驗測量結果的可靠性存在問題。我們都在熱切等待更新的測量結果和進一步改進的理論預測。如果目前輕子普適性違反的暗示成立，它們可能會為更完整的粒子物理學基本理論提供長期尋求的指導。我們希望這樣的理論最終能夠解決我們關於自然界的一些最大問題——中微子質量、暗物質和我們宇宙中缺失的反物質。