2016年物理學領域被引最高的20篇論文，12篇都是關於這個不存在的粒子

2016年前半年物理學領域最激動人心的事件之一，或許就是去年年底大型強子對撞機LHC疑似發現的「750 GeV新粒子」了。根據SCI資料庫的統計，到12月30日為止，2016年物理學領域引用次數最高的20篇論文中，12篇都是關於這個粒子——然而，今年8月，LHC正式宣布這個令人興奮的信號並非來自新粒子，只是個統計波動。它是怎麼「疑似被發現」，又是怎麼沒了的，為什麼受到這麼多關注？它的「出現」和「消失」對高能物理來說意味著什麼？

撰文 Elizabeth Gibney 等

編譯 李一冉 撖靜宜 丁家琦

圖為LHC的CMS探測器。CMS是去年檢測到一種潛在新粒子的存在跡象的兩大探測器之一。圖片來源：Stefano Dal Pozzolo/Contrasto/eyevine

2015年12月，LHC科學家宣布，他們在2016年4月到11月間收集的數據中找到了一個可能意味著新粒子的「凸起」，而且值得注意的是，CMS和ATLAS兩個探測器都獨立地發現了這個信號。如果這真的意味著一種全新的粒子，那麼，它的影響將比發現希格斯玻色子更為重大，因為這將成為首個標準模型不能解釋的粒子，它將標誌著粒子物理學界的新紀元的開始。標準模型是描述基本粒子及其相互作用的理論，它到目前為止非常成功，但由於沒有包括引力，也無法解釋暗物質，還遠算不上「終極理論」。因此，物理學家一直在尋找超越標準模型結論的實驗證據。

然而，2016年8月5日，LHC兩大獨立實驗——ATLAS和CMS的代表，在美國芝加哥舉辦的國際高能物理會議（ICHEP）上宣布，他們繼續分析了4倍量的數據，發現隨著這些數據的積累，去年12月發現的「新粒子」的信號已經幾乎衰減至無，也就是說，所謂的「新粒子」只不過是個統計波動。

「在2016年的數據中，我們沒有發現顯著的信號。」 歐洲核子中心（CERN）的物理學家、ATLAS實驗的發言人Bruno Lenzi在ICHEP的一場座無虛席的會議上報告道。在Lenzi發言之後，CMS實驗的發言人、來自羅馬國家核子物理研究所的物理學家Chiara Ilaria Rovelli也帶來了壞消息：CMS實驗所得的新數據也沒有能生成這種顯著信號。「不幸的是，2015年發現的疑似信號並沒有得到2016年數據的證實。」 她說。

雖然沒有發現新粒子令研究人員感到失望，但這也是情有可原的：ATLAS在今年6月最新更新的數據中，將該信號的顯著性定於2.1σ，而要想確認一個信號代表著真實發現，而非雜訊干擾，信號的顯著性需要達到5σ。

σ是什麼？簡單來說，它代表著一種概率。5σ意味著，如果這一信號不是來自新粒子，它單純由隨機漲落產生的概率小於3×10^(-7)。5σ是粒子物理與天體物理學判斷一個信號是否代表新發現的黃金標準，2012年LHC發現希格斯玻色子時的置信度高達7σ，今年年初先進LIGO首次捕捉到引力波信號時的置信度也達5.1σ。

但由於ATLAS和CMS兩個實驗都獨立發現了這一信號——750千兆電子伏特（GeV）能量處比預期略高的雙光子信號，物理學家希望此信號屬實，因為這就代表著一種潛在的新粒子。LHC宣布這一信號後，已經出現了數百篇試圖解釋這個潛在新粒子的理論物理學論文，其中有些被引次數頗高。

如果新粒子成真，它代表著什麼？

美國費米加速器實驗室的物理學家Don Lincoln表示，物理學家之所以對於信號如此振奮，主要源於它有潛力帶來重大突破。目前為止，物理學對力和物質的描述已經極為成功，這一套描述被稱為標準模型，囊括了所有已知的基本粒子和相互作用，它能成功地做出預言並得到驗證——2012年LHC發現的希格斯玻色子就極好地驗證了標準模型。但是標準模型是不完整的，因為它無法解釋暗物質等神秘現象，也無法把量子力學和相對論統一起來。而如果實驗發現一種標準模型未能預言的新粒子，則有望成為帶領物理學家通向新理論的第一個指路標。Lincoln說：「雖然大部分科學家都推測去年12月的這一信號是假的，會隨著數據量的增長而消失，但還是有很多科學家相信它可能成真，甚至激動地度過了幾個不眠長夜。」

「哪怕只看到匆匆一眼，甚至半眼，都會讓人屏住呼吸，並且思考著如果這是真的會如何，因為它太過珍貴，人們絕不會放棄任何一絲探索它的希望。」英國利物浦大學粒子物理學家Tara Shears說。

雙光子信號之所以這麼有吸引力，一部分原因是對其的分析可以相對簡單而有力。同時，提出能解釋這一信號，又不與其他實驗結果相衝突的模型也是相對容易的，瑞典查爾姆斯理工大學的理論物理學家Christoffer Petersson說。

對這種現象的一個可能的解釋就是，新粒子是一種比希格斯玻色子更重的類似粒子，也有人認為它可能是一種暗物質粒子，或是引力子。

儘管隨著這一信號被證實為統計波動，由此誕生的所有模型也都被證實為錯誤的，Petersson並不認為這些研究是無效的。「這是一次用不同的觀點解釋這次實驗結果的有趣嘗試，我也確實在這個過程中學習到許多東西，」他說。

Lincoln說，統計上的波動和真實發現在一開始看起來都是一樣的。在很寬的質量範圍內進行數千次搜索的情況下，這種巧合是很有可能發生的，類似的跡象在過去也曾多次出現又消失，他說，「這樣的循環在未來可能還會發生許多次。」

LHC何去何從？

但是，這次的假警報不會影響LHC在未來發現其他東西的可能性。Petersson說：「想想還有其他LHC實驗到現在依舊一無所獲，這並不算是一個重大的打擊。」他說。對於在LHC的實驗項目和研究人員來說，未來一切如常。

在標準模型誕生40年之後，一些物理學家擔心以後可能再也不會有超越標準模型的發現，因為LHC或者在其之前的任何粒子加速器都沒有此類發現。不過，自2015年6月以來，LHC一直以13萬億電子伏特（13 TeV）的粒子能量運行，這已經十分接近它可以運行的最大粒子能量——14 TeV。

LHCb實驗室的發言人Guy Wilkinson說，升級以來，LHC的數據中沒有出現超出預計的信號是令人吃驚的。這凸顯了學界因為遲遲沒有新發現而與日俱增的不安情緒，而且也意味著超對稱理論——當下流行的超越標準模型的理論——被證實為真的可能性越來越小。

但是Petersson表示，LHC仍然有可能發現超越標準模型的粒子。如果新粒子太過稀少，它們衰變的方式極難觀察到，那麼它們就需要更長的時間才能出現。

Shears說：「達到高能量並不是發現新粒子的唯一途徑。通過足夠多的數據也可以發現新粒子，因為那些因質量太重而很難直接產生的粒子，可能通過它對其它已知粒子作用所產生的細微影響而被我們發現。」參與歐洲核子研究中心LHCb實驗的物理學家已經在其實驗數據和標準模型的預測間發現了這種偏差的跡象，但他們還需要更多信息來證實這一發現。

Tonelli樂觀地相信著新的發現終會到來。「我們都深信，早晚有一天必會出現一個標準模型不能解釋的異常值，在消除統計誤差後仍然堅挺地存在，並瞬間改變一切，」他說，「而它隨時都可能發生——這就是我們高能物理學家工作的魅力。」

附錄：2016年物理學領域高被引論文Top 20

1 Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger （497次）

2 The Cambridge Structural Database （203次）

3 Efficient luminescent solar cells based on tailored mixed-cation perovskites （133次）

4 Solar cell efficiency tables (version 47) （123次）

5 Improved air stability of perovskite solar cells via solution-processed metal oxide transport layers （122次）

6 What is the gamma gamma resonance at 750 GeV?（110次）

7 Composite models for the 750GeV diphoton excess（101次）

8 Knocking on new physics door with a scalar resonance（86次）

9 Diphoton signatures from heavy axion decays at the CERN Large Hadron Collider（80次）

10 Phenomenology of a 750 GeV singlet（78次）

11 750 GeV diphoton resonance in a top and bottom seesaw model（77次）

12 Minimal model of a diphoton resonance: Production without gluon couplings（76次）

13 Nanoarchitectonics for Dynamic Functional Materials from Atomic-/Molecular-Level Manipulation to Macroscopic Action （72次）

14 Scenarii for interpretations of the LHC diphoton excess: Two Higgs doublets and vector-like quarks and leptons（71次）

15 Rays of light from the LHC（70次）

16 On the interpretation of a possible similar to 750 GeV particle decaying into gamma gamma（70次）

17 Fullerene-Free Polymer Solar Cells with over 11% Efficiency and Excellent Thermal Stability （69次）

18 Singlet scalar resonances and the diphoton excess（69次）

19 The LHC diphoton resonance and dark matter（68次）

20 Improved Constraints on Cosmology and Foregrounds from BICEP2 and Keck Array Cosmic Microwave Background Data with Inclusion of 95 GHz Band （68次）

（數據來源：SCI，整理：撖靜宜，截止時間：2016年12月30日11:00）

文章參考來源：

http://www.nature.com/news/hopes-for-revolutionary-new-lhc-particle-dashed-1.20376

https://blogs.scientificamerican.com/observations/five-sigmawhats-that/

https://www.scientificamerican.com/article/potential-new-particle-shows-up-at-the-lhc-thrilling-and-confounding-physicists1/