這個粒子如同萬能鑰匙

如果它真的存在，那麼將能同時解開物理學中五個大問題。

是911嗎？這裡有緊急情況，宇宙中最為重要的粒子仍未找到！

德國物理學家弗洛里安·格爾茨明白這並不是警方所能偵破的案件，但他仍在不耐煩地等待著回應。不過，這裡的「911」不是指美國的報警電話號碼，而是位於大型強子對撞機北部的一座建築的編號。

歐洲核子研究組織的大型強子對撞機是世界上最大的粒子加速器，它位於瑞士與法國邊境地下100多米深的環形隧道中，隧道全長近27千米。2012年，研究人員藉助它發現了希格斯玻色子。這可是物理學上的大事件。但格爾茨想要尋找的粒子可比希格斯玻色子更厲害：希格斯玻色子解決了基本粒子如何獲得質量的問題，而格爾茨想要尋找的粒子將能一口氣解決物理學中五個大問題——從微觀粒子無法解釋的現象到宇宙起源的奧秘，再到神秘的暗物質的真實身份。

美好得令人難以置信？但格爾茨並不是唯一一個想這麼做的人。他一直在和來自世界各地的同行們合作和競爭，以描述這種粒子的性質，並預測它能做什麼。如果他們的理論是正確的，那麼911號建築里進行的實驗將有機會發現宇宙中最重要的粒子。

場與粒子

要想了解這種粒子，首先我們要了解什麼是粒子。大多數時候，我們可以把粒子想像成微小的彈珠，在空曠的空間里撞來撞去，或者被束縛在固體內部。然而，如果我們想要理解它們的行為，這種觀點必須拋棄。相反，我們最好把宇宙想像成一個充滿電磁場、電子場、質子場等各種波動場的地方，而我們所熟悉的粒子，就是這些場在微小尺度上的一種擾動。例如，電磁場會產生光子，電子場會產生電子，質子場會產生質子，等等。

理論學家經常提出各種場來解決許多基本物理學問題。每一種場都會產生一種新的粒子，要想證明這種場的存在，就需要通過實驗來找到所產生的新粒子。希格斯場和希格斯玻色子就是一個典型的例子。希格斯場最初是在1964年提出的，主要用來解釋弱核力的作用範圍為何較短，以及基本粒子如何獲取質量等問題。不過，科學家發現希格斯玻色子花了將近50年的時間。

與此同時，更多的物理理論被提了出來，與之相伴隨的是各種假想的粒子。一些理論帶來的粒子比較多。例如，超對稱理論認為，每一個已知的粒子都有一個與之相伴隨的質量更大的夥伴粒子。如果成立，該理論可以解決許多無法解釋的物理學現象。大型強子對撞機有能力檢測到這些夥伴粒子，但到目前為止，研究人員還沒有找到任何夥伴粒子的蹤跡。

另一些理論就比較吝嗇了。例如一種被稱作「SMASH」的理論，要通過添加6個新粒子來解決5個物理學謎團。但對於格爾茨和他的同事來說，即使這樣也太浪費了。他們提出只需要一種新的假想粒子就可以了，這個新的粒子如同一把萬能鑰匙，能同時解開物理學中五個大問題。

把兩個粒子合二為一

這種粒子的提出，與兩個粒子的物理學問題有關。其中一個問題是物理學家在1977年研究強相互作用時遇到的問題，它被稱為「強CP問題」。

強相互作用是一種把夸克結合成質子或中子等粒子的力。然而，相關的物理理論卻認為，在某些情況下，強相互作用會讓粒子打破一種稱為「CP對稱」的對稱性（請參見拓展閱讀「對稱的重要性」），但實驗中從來就沒觀測到這種現象。為了解決這個問題，一些物理學家發現，在理論中加入一種新的場之後，強CP問題就神奇地解決了。跟其他場一樣，這種新的場的微擾也會產生一種新的粒子，物理學家把這種粒子稱為軸子。

與此同時，粒子物理學中又出現了另一個問題，這與夸克有關。夸克是一種基本粒子，它們結合在一起可組成質子和中子等粒子。目前，已發現的夸克有6種。夸克的種類被稱為「味」，它們分別是上、下、粲、奇、底及頂，但它們的質量相差很大。例如，頂夸克的質量大約是上夸克質量的8萬倍。這麼大的質量差距從哪裡來的呢？一些物理學家又提出了一種全新的場，不同味的夸克在這種場的作用下行為完全不同，最終導致了各種味的夸克質量有很大的差別。這種場產生的粒子被稱為味子。

但在過去的幾年裡，兩組物理學家各發現了一個天大的巧合：味子看起來很像軸子。於是，格爾茨等人就提議，這兩種粒子應該是同一種粒子，可以把它們統稱為「軸味子」或「味軸子」。

威力無比的軸味子

把軸子和味子結合起來，還有更多的好處。自上個世紀70年代末以來，物理學家一直堅信宇宙在大爆炸後不久經歷了一段急速的膨脹時期，並稱之為「暴脹」。暴脹可能是由一種被稱為「暴脹子」的粒子引發的，一些物理學家早就推測，暴脹子可能是軸子或味子。

此外，當前最熱門的暗物質粒子候選者是所謂的「大質量弱相互作用粒子」，它是一種假想的大質量粒子，只通過弱相互作用和引力產生作用。研究人員正不遺餘力地尋找這種暗物質粒子，但目前一無所獲。於是，一些物理學家認為，暗物質粒子也可能是軸子，並建議把注意力更多地放在軸子身上。

由此可以看出，如果軸子和味子能結合起來的話，那麼軸味子還能解決暴脹問題和暗物質問題。更厲害的是，軸味子還有一個「超能力」——它能解釋希格斯玻色子的質量問題。2012年，當大型強子對撞機發現希格斯玻色子時，它比許多物理學家預期的要輕得多。格爾茨等人認為，軸味子與希格斯玻色子某種相互作用，能使希格斯玻色子的質量大幅度降低。

這樣，一個軸味子就能夠同時解開物理學中的五個大問題：強CP問題、夸克質量問題、宇宙為何暴脹、暗物質的真實身份，以及希格斯玻色子質量問題。

這確實很了不起，但就目前而言，它仍然是一個猜想。改變這一狀況的關鍵在於那座編號為「911」的建築，它是歐洲核子研究組織在2007年開始進行的名為「NA62」的實驗所在地。此實驗的目的，是通過研究夸克-反夸克對的衰變來提高我們對夸克的理解。研究人員希望NA62能在這些衰變的產物中發現一些意想不到的東西。而且，鑒於軸味子能與夸克發生相互作用，所以在夸克-反夸克對的衰變過程中，很有可能會產生軸味子。

如果軸味子真的存在，那麼我們何時能找到它？這完全取決於軸味子到底有多重，它越重越難找，因為讓實驗衰敗出重粒子需要很高的能量。不過，格爾茨等人目前還無法用理論預測軸味子的質量究竟有多大。

不管怎樣，把許多物理學問題變成一個問題，是一個很大膽的設想。粒子物理學能否迎來一個重大突破？我們只需等待911號建築能否帶來好消息。

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