編者注（2021年10月19日）：2021年10月19日，LHCb物理學家公佈了另外兩項小的異常現象，這些異常現象延續了“缺失”繆子的奇怪模式，共同暗示這些奇異的亞原子粒子的產生率低於預期。 隨著進一步的驗證，這些結果可能成為通往超越標準模型的新物理學的最有希望的途徑。
如果美在旁觀者眼中，那麼請考慮一個引人入勝的新結果正在迷惑世界各地的粒子物理學家。 具體而言，科學家們對來自 LHCb（大型強子對撞機 beauty）探測器的新鮮資料感興趣，該實驗研究B介子（包含美麗夸克的粒子）的衰變。 在週二舉行的年度 Rencontres de Moriond 會議的虛擬會議期間，近 1,000 名物理學家觀看了 LHCb 合作組織宣佈證據，證明電子及其更重的表親繆子的行為存在無法解釋的差異。
根據標準模型——描述基本粒子及其服從的力（不包括引力）的理論——輕子（如電子和繆子）除了質量外，完全相同。 因此，B 介子衰變為一個 kaon 和兩個繆子的速率應該與衰變為一個 kaon 和兩個電子的速率相同。 然而，LHCb 觀察到這種罕見的美麗衰變存在差異：B 介子衰變為繆子的頻率似乎比衰變為電子的頻率低 15%。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
“這項新測量當然很有趣，”德國卡爾斯魯厄理工學院的理論物理學家莫妮卡·布蘭克說，她沒有參與這項新研究。“如果最終透過實驗證實，那麼實際上存在某種超越標準模型的東西，可以區別對待輕子味。”
物理學家長期以來一直想知道繆子、電子和其他輕子除了質量之外是否還存在差異；最新的 LHCb 結果表明答案可能是肯定的。 該發現的統計顯著性為 3.1 sigma，符合粒子物理學中證據的標準基線。 準確地說，3.1 sigma 意味著在沒有新物理學的情況下，統計波動仍然會導致研究人員看到電子和繆子之間的差異15% 或更多，每 740 次實驗中發生一次。 儘管這似乎表明觀察到的繆子-電子差異幾乎肯定不僅僅是海市蜃樓，但三 sigma 效應實際上遠未達到粒子物理學發現的金標準：五 sigma，這意味著在看到如此大的統計僥倖之前，需要進行 340 萬次實驗。 （這些數字與出錯的 740 分之一或 340 萬分之一的機會微妙但重要地不同。）
為什麼要對統計如此大驚小怪？ 在 LHCb 和其他實驗中，多年來，電子和繆子之間出現了許多二 sigma 和三 sigma 的差異。 但到目前為止，這些結果都沒有站得住腳：一旦收集到更多資料，輕子之間的差異就消失了，標準模型取得了勝利。
“如果只有一個，我就不會太興奮。 我見過其他異常現象消失，”蘇黎世大學的理論物理學家吉諾·伊西多里說，他沒有參與這項研究。 但他對最新的 LHCb 結果感到鼓舞，因為它遵循了其他測量的模式，這些測量也暗示了電子和繆子之間的差異。 對於伊西多里和其他粒子物理學家來說，這足以讓他們謹慎地興奮。
美之物
LHCb 位於法國和瑞士的邊境，是大型強子對撞機 (LHC) 17 英里環線上的眾多探測器之一。 儘管 LHCb 也關注質子-質子碰撞的結果，但其重點是極其罕見的衰變，例如 B 介子的衰變。
“罕見衰變是尋找重粒子的另一種方法，”LHCb 的粒子物理學家帕特里克·科彭堡說。 LHC 成功地強力搜尋希格斯玻色子，將質子撞擊在一起並尋找碎屑中新粒子的跡象，而 LHCb 則關注百萬分之一事件中的微小變化。 也就是說，B 介子的罕見衰變不會直接產生新粒子——繆子和 kaon 都是舊事物——但衰變發生的速率可能取決於重型、尚未見過的粒子在幕後影響結果。 例如，在 1960 年代，kaon 的罕見衰變暗示了魅力夸克的存在，然後才被直接發現。 LHCb 旨在從乾草堆中挑出這些針。 但即便如此，這項工作仍然很困難，並且充滿了實驗不確定性。
此外，還需要考慮理論上的不確定性：研究人員將結果與之比較的標準模型預測。 圍繞最新 LHCb 結果的部分興奮之處在於，特定的 B 介子衰變是“乾淨的”——它的理論不確定性非常小。 消除一個誤差來源使得更容易看出電子和繆子之間的差異是否真實。
自 1970 年代標準模型問世以來，理論物理學家已經提出了模型，以新粒子的形式解釋這種差異。 兩個最主要的候選者是 Z'（發音為“zee prime”）——現有 Z 玻色子的變體——以及 leptoquark，一種將輕子和夸克聯絡起來的粒子。 在未來幾天和幾周內，理論家將使用最新的結果來更新他們的模型——事實上，在 LHCb 結果公佈不到 24 小時內，已經發布了三篇預印本論文。
但是，這種罕見衰變的物理學遠未確定，在可以將新粒子聲稱為罪魁禍首之前，還需要更多資料。 驗證的最佳選擇將是日本的 Belle II 實驗。 參與 Belle II 的研究員中尾美彥預計，大約需要五年時間才能趕上 LHCb 的靈敏度。
目前，LHCb 已關閉進行維護。 但根據科彭堡的說法，當它明年重新開放並升級探測器後，它可以在短短一年內將過去十年收集的所有資料翻倍。 在即將到來的四月份，來自伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的 Muon g-2 實驗的結果也可能闡明輕子之間的差異。
物理學家意識到，這個最新的結果——資料中的一個峰值——很可能只是統計波動。 在經歷了多次失望之後，他們現在小心翼翼地對沖他們的賭注，試圖避免傳達確定性或過度的炒作。
但如果它是真實的——那將是美好的。