大型強子對撞機偵測到可能改寫物理學的奇怪粒子行為

如果得到證實，這些建議將推翻標準模型，這一理論主導了粒子物理學 50 年。研究結果表明，大型強子對撞機中特定亞原子粒子的行為不符合標準模型。

基本粒子是物質最基本的組成部分：無法分解為更小的單位的亞原子粒子。四種基本力——重力、電磁力、弱力和強力——決定了這些粒子如何相互作用。

LHC 是一個巨型粒子加速器，建在法國和瑞士邊境下方 27 公里長的圓形隧道中。其主要目的是尋找標準模型中的裂縫。

這個理論是對基本粒子和力的最佳理解，但我們知道它不可能是全部。它無法解釋引力或暗物質，即佔宇宙約 25% 的看不見的、迄今為止無法測量的物質。

在大型強子對撞機中，沿著相反方向行進的質子粒子束發生碰撞，試圖找出尚未發現的物理學的線索。新的結果來自大型強子對撞機（LHCb），這是一個在強子對撞機上研究這些碰撞的實驗。

結果來自於對稱為 B 介子的亞原子粒子的衰變（一種轉變）的分析。我們研究了這些 B 介子如何衰變成其他粒子，發現這種情況發生的獨特方式與標準模型的預測不符。

優雅的理論

標準模型建立在 20 世紀物理學中兩個最具變革性的進步之上：量子力學和愛因斯坦的狹義相對論。

物理學家可以將大型強子對撞機等設施的測量結果與基於標準模型的預測進行比較，以嚴格檢驗該理論。

儘管我們知道標準模型並不完整，但經過 50 多年日益嚴格的測試，粒子物理學家仍未發現該理論有任何缺陷。到目前為止，這可能是可能的。

我們的測量結果，於當年接受發表 體檢信它顯示的電壓與標準模型預期相差四個標準差。

在現實世界中，這意味著，在考慮到實驗結果和理論預測的不確定性後，如果標準模型正確，極端資料出現隨機波動的可能性是萬分之一。

儘管它距離科學的黃金標準（即 5 個西格瑪或 5 個標準差（大約 170 萬種可能性））還很遠，但證據已經開始累積。 2025 年早些時候發表的獨立大型強子對撞機實驗的結果 CMS 為這一引人注目的敘述增添了色彩。

儘管 CMS 的結果不如大型強子對撞機的結果那麼精確，但它們非常一致，從而加強了這一論點。我們的新結果是在對一種特殊類型的過程（稱為弱電企鵝衰變）的研究中發現的。

奇怪的事件

術語“企鵝”是指一種特定類型的短暫粒子衰變（轉化）。在本例中，我們研究 B 介子如何衰變成其他四種亞原子粒子：一個 kaon、一個 π 介子和兩個 μ 子。

只要發揮一點想像力，就可以看到所涉及的粒子的排列看起來像一隻企鵝。至關重要的是，測量這種衰變使我們能夠研究一種基本粒子（美夸克）如何轉變為另一種基本粒子（奇夸克）。

這種企鵝衰變在標準模型中極為罕見：每百萬個 B 介子中，只有一個會以這種方式衰變。我們仔細分析了這些粒子分解產生的角度和能量，並且精確地確定了該過程發生的程度。我們已經看到這些量的測量與標準模型的預測不一致。

對此類衰變的詳細研究是大型強子對撞機實驗的主要目標之一，自 1994 年啟動以來一直如此。企鵝過程對大型強子對撞機無法直接產生的潛在非常重的新粒子的影響非常敏感。

這些粒子仍然可以對這些衰變產生可測量的影響，其影響超出標準模型的微小貢獻。這種間接觀察並不新鮮。例如，放射性的發現比直接觀察到放射性的基本粒子（W 玻色子）早了 80 年。

未來方向

我們對稀有過程的研究可以探索只有在 2070 年代計劃通過粒子對撞機才能到達的自然部分。有許多潛在的新理論可以解釋我們的發現。許多包含稱為“輕夸克”的新粒子，它結合了兩種不同類型的物質：“輕子”和“夸克”。

其他潛在的理論涉及的粒子是標準模型中發現的粒子的更重的類似物。新的結果限制了這些模型的形狀，並將指導未來的研究。

儘管令人興奮，但仍然存在懸而未決的理論問題，使我們無法明確地聲稱已經觀察到了超出標準模型的物理現象。最嚴重的問題來自所謂的“迷人的企鵝”，這是標準模型中的一組過程，其貢獻很難預測。根據最近對這些迷人企鵝的估計，它們的影響不足以解釋我們的數據。

此外，理論模型和大型強子對撞機實驗數據的結合表明，迷人的企鵝（以及標準模型）很難解釋異常結果。

已經收集到的新數據將為我們證實未來幾年的情況：在我們的工作中，我們分析了 2011 年至 2018 年間記錄的大約 6500 億個 B 介子衰變，以找到這些企鵝衰變。此後，LHCb實驗記錄了更多的B介子。

計劃在 2030 年代取得進一步進展，以利用 LHC 的未來改進，並實現資料集再次擴大 15 倍。這最後一步將使我們能夠做出明確的主張，開啟一種從根本上理解宇宙如何運作的新方法。