大型強子對撞機發現新粒子了嗎？這僅僅是個巧合

圖為大型強子對撞機中的ATLAS探測器

當你到處尋找丟失的鑰匙時，有時恰恰是那些你注意不到的死角能幫你判斷鑰匙可能所在的位置。在科學界，研究人員在尋找新物理現象時，有時也會利用類似的方法。

2015年12月，世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）的科學家們認為，他們或許發現了一種全新的粒子，如果成真的話，這將會引領科學家進入一個全新的領域。然而，這些發現不過是虛晃一槍而已，僅僅是實驗數據導致的巧合。

雖然結果不盡人意，但專家認為，他們在這次實驗中一無所獲，恰恰說明了現有的粒子物理理論是正確的。但此次結果讓這個未解之謎變得更加費解，並迫使科學家們去尋找新粒子、或者新種類的力的「藏身之處」。

「壞消息是，這些測量結果不能說明任何事情，」理論物理學家馬特·斯特塞勒（Matt-Strassler）說道，「而好消息是，『不能說明任何事情』本身也是件好事。」

斯特塞勒近日針對此次研究的經驗和教訓，在歐核中心（CERN）發表了一次演講，他指出：「這就像眯著眼看東西，有時你確實能看到東西，但有時不過是眼前的幻象而已。」

高能碰撞

大型強子碰撞機使用了約9600塊強力磁鐵，讓強子在長度為27公里的環形軌道中以接近光速的高速運行，然後讓它們撞在一起。強大的碰撞會釋放出大量亞原子粒子和射線，為我們對物質的基本組成構件獲得更好的了解。

在進行了長達兩年的升級之後，大型強子對撞機於去年重新啟用，將以更高的能量級運行。

在去年12月的那次研究中，科學家注意到，ATLAS探測器（超環面儀器）和CMS探測器（緊湊渺子線圈）發現實驗獲得的數據中出現了一個「峰」，即有一部分數據高出了其它數據（該實驗本來是用來探測光子或其它粒子的）。

這個「峰」太過明顯，引起了科學家的好奇。如果這一發現確認為真的話，它將會證明，科學家首次發現了帶有750千兆電子伏特（GeV）能量的粒子。而在大型強子對撞機中，目前運行的粒子能量可以達到13萬億電子伏特。

ATLAS探測器是大型強子對撞機中最強大的兩台全能探測器之一

碎片中的數據

相撞之後，強子中攜帶的能量便會轉化為粒子，每種粒子都會帶有一種特殊的能量。不過，這些粒子大多數都比較短命，很快便會衰變成為其它粒子和光子。

因此，人們通常使用間接的方式來探測粒子。2012年，科學家就是用這種方法發現了希格斯玻色子的。希格斯玻色子是一種基本粒子，科學家認為它可以解釋其它粒子的質量來源於何處。正因為如此，去年12月的實驗數據中發現的「峰」才那麼令科學家激動不已。

但SLAC國家加速實驗室的理論物理學家邁克爾·佩斯金（Michael-Peskin）指出，CMS探測器的最新數據顯示，去年12月發現的750千兆電子伏特可能只是一個假信號，這類實驗中有時就是會出現這樣的問題。

即使是在去年12月，有些物理學家（包括佩斯金在內）就已經對這一發現產生了疑慮。他注意到，在大型強子對撞機工作的一些研究團隊發表了一份聲明稱，「此次發現的顯著性差異過低，不足以作為一次觀察結果來報告」。

但斯特塞勒表示，這並不意味著此次發現毫無用處，也不能說明那些試圖解釋此次發現的論文全都說錯了、不值得予以考慮。這些研究工作在今後也許能為科學家提供重要的研究視角。

「與做出新發現相比，我們要花上更長的時間，才能確保沒有遺漏之處。」他說道，「750千兆電子伏特雖然很大，但它也許能引領我們找到某種目前尚未發現的、體積極小的粒子。」

樂觀的一面

像這樣的研究結果具有十分重要的意義，因為它們能揭露出現有的理論中存在哪些概念性問題。在此次研究中，我們所說的理論就是「標準模型」，它對構成宇宙的亞原子粒子進行了描述，在物理學中佔據著統治性地位。

但暗物質的發現說明，標準模型並不完善。此外，物理學家和宇宙學家還難以解釋，宇宙為什麼由物質佔主導，而不是反物質；也難以解釋希格斯場為什麼能賦予物質能量。

「對於希格斯玻色子，我們只能說，『它就是這樣的」。」佩斯金說道，「我可不喜歡這麼說。」他認為希格斯場之所以具有這樣的特性，一定有某種原因可以解釋，而標準模型理論本身是無法提供答案的。

這就是陰性結果的作用所在。例如，標準模型有很多延伸理論，提出了一種名叫超對稱性的理論。這些理論指出，每一個粒子都有一個尚未發現的、與之成對的粒子。而這些成對粒子的存在將幫助物理學家更好地理解希格斯玻色子為什麼具有這樣的能力（按照該理論的預測，希格斯玻色子也存在與之配對的粒子）。

佩斯金指出，多年以來，陰性結果曾多次幫助研究人員縮小可能有效的超對稱性模型的範圍。「基本上，在過去十年中提出的所有超對稱性模型如今都被否定了。」他說道。這並不意味著超對稱性模型就是錯誤的，但這能幫助研究人員更專註於理論工作。

歷史教訓

在科學史上，有許多陰性結果最終都引領科學家做出了更偉大的發現。1887年，阿爾伯特·邁克耳孫（Albert-Michelson）和愛德華·莫立（Edward-Morley）開展了一項實驗，希望能發現以太——一種當時認為能夠攜帶光波的介質。

如果以太存在的話，光速就應該隨著光束前進的方向而改變。但以太實際上是不存在的，數年之後，阿爾伯特·愛因斯坦利用他們的陰性結果，提出了著名的相對論，認為時空本身會不斷變化，從而保證光速在各個參考系中都恆定不變。

當時令科學家感到困惑的是，他們不知道光波究竟是如何傳播的。「也許光波和我們知道的其它波都不一樣，」斯特塞勒說道，「它們不需要介質就能傳播。」

斯特塞勒注意到，目前還沒有人敢草率地定下結論。例如，通過邁克耳孫和莫立的實驗，人們意識到光波不需要介質就能傳播。而對於粒子物理學家而言，他們還不清楚接下來將會發生什麼。

他們遇到的可能只是技術性問題，如果使用更好的加速器和探測器，也許就可以發現新粒子了。但斯特塞勒指出，他們遇到的也有可能是概念性問題，就像邁克耳孫和莫立當年一樣。

有些物理學家認為，陰性結果本身並沒有什麼重要的意義。「我們知道標準模型理論並不完善，到了一定的能量級上，這一理論必須向外延伸。但從理論上來說，延伸的結果可能有數百萬種之多，我們必須從實驗中尋找線索，確定哪個才是正確的方向。」法國國家科學研究院的理論物理學家亞當·法爾克斯基（Adam-Falkowski）說道。

不過，費米國立加速器實驗室的博士後研究員南·特蘭（Nhan-Tran）表示，此次研究結果還是起到了一定的幫助的。「它幫助我們縮小了研究範圍，」他說道，「讓我們更加關注正確的研究方向。」

佩斯金認為，把目前的研究與前人尋找以太的實驗相提並論，未免有些言過其實了。「邁克耳孫和莫立推翻了之前的理論，」他說道，「而標準模型理論的基礎要更加穩固。」不過他還補充說，這樣的結果讓他對超對稱性理論不再那麼抱有信心了。「有時我相信它是真的，」他說道，「但有時我也會產生懷疑。」

但與此同時，大型強子對撞機又是一件強大的新工具。佩斯金表示：「如今我們探測超對稱性粒子的能力已經大大加強了，如果你相信它們存在的話，也許它們明年就會露出廬山真面目了。」

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