大型強(qiáng)子對撞機(jī)緊湊繆子線圈探測器。粒物理標(biāo)圖片來源：David Parker/SPL

■本報記者 韓揚(yáng)眉

一群“麥哲倫”式的準(zhǔn)模實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家正在高能物理的版圖上開疆拓土。而玻色子的型再新新學(xué)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，正在指向新的獲成“盛宴”。

近日，功們《自然》“研究亮點(diǎn)”欄目報道了北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系教授冒亞軍、發(fā)現(xiàn)李強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的玻色研究團(tuán)隊(duì)的最新成果——他們首次觀測到雙W玻色子與光子（WWγ）這一新型的三玻色子聯(lián)合產(chǎn)生過程。相關(guān)成果日前發(fā)表于《物理評論快報》，聞科并被選為編輯推薦論文。寶藏

“玻色子三重態(tài)的粒物理標(biāo)產(chǎn)生是罕見的事件，是準(zhǔn)模粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的又一次成功。任何與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的型再新新學(xué)網(wǎng)差異都可能暗示未知粒子的存在。” 《自然》評價稱。獲成

是功們否存在關(guān)乎標(biāo)準(zhǔn)模型

數(shù)十億次“碰撞”才獲得250次發(fā)現(xiàn)，這注定是一次艱難的探索。

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，無質(zhì)量的光子（γ）傳播長程的電磁相互作用，而重質(zhì)量的W和Z玻色子傳播短程的弱相互作用。精確測量多玻色子特別是三玻色子聯(lián)合產(chǎn)生過程，是目前高能物理領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

在基本粒子中，玻色子是一種“媒介”基本粒子。基本粒子之間存在4種基本的相互作用：引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力。每種相互作用都是由某一種媒介粒子傳遞的，它們被稱為玻色子。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，W玻色子是一種傳遞弱力的媒介粒子。

1983年，W玻色子首次被歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)，后來被證明主要參與一些最常見的核衰變過程。這是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的一大勝利。

然而，W玻色子的質(zhì)量很重，約是質(zhì)子的85倍，實(shí)驗(yàn)中通常很難被發(fā)現(xiàn)。正因如此，只有通過大型強(qiáng)子對撞機(jī)這樣的高能量裝置才有可能“撞”出1個，而要想“撞”出3個，難如海底撈針。

經(jīng)過40多年的發(fā)展，關(guān)于玻色子的研究不斷拓展。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，理論已預(yù)言了三玻色子的聯(lián)合產(chǎn)生機(jī)制。

“如果這個機(jī)制未經(jīng)驗(yàn)證，可能意味著標(biāo)準(zhǔn)模型存在某些問題，也可能暗示著新物理現(xiàn)象的存在。”該研究的主要貢獻(xiàn)者之一、北京大學(xué)物理學(xué)院博士生關(guān)喆告訴《中國科學(xué)報》，驗(yàn)證三玻色子的存在及其與標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)系非常重要。

數(shù)十億次碰撞

歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，有“上帝粒子”之稱的希格斯粒子、新強(qiáng)子態(tài)“奇異的五夸克”等均在此被發(fā)現(xiàn)。它的數(shù)據(jù)牽動著全球物理學(xué)家的心。

多年來，李強(qiáng)團(tuán)隊(duì)緊密追蹤大型強(qiáng)子對撞機(jī)緊湊繆子線圈探測器，在數(shù)據(jù)“沙漠”里尋找若隱若現(xiàn)的“寶藏”。

終于，他們在2016年至2018年間所收集的數(shù)十億次13TeV質(zhì)子-質(zhì)子對撞數(shù)據(jù)中，以5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)置信度，首次觀測到雙W玻色子與光子（WWγ）這一新型的玻色子三重態(tài)產(chǎn)生過程。

李強(qiáng)解釋，5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差是與假設(shè)不存在三玻色子過程的情況（即空假設(shè)）相比，這也意味著數(shù)據(jù)支持三玻色子過程的存在。

三重玻色子是如何產(chǎn)生的？

大型強(qiáng)子對撞機(jī)緊湊繆子線圈探測器詳細(xì)記錄了這一過程——當(dāng)被加速到接近光速的高能量質(zhì)子束迎頭相撞時，就會產(chǎn)生三重玻色子。當(dāng)兩個質(zhì)子碰撞時，質(zhì)子中的夸克和膠子被迫分開，當(dāng)發(fā)生這種情況時，W玻色子和Z玻色子就會突然出現(xiàn)。而在非常罕見的情況下，它們會以三重態(tài)的形式出現(xiàn)。

有多“罕見”？這一事件發(fā)生的概率僅為發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子概率的1/50。

更多帶來不同

既然過程如此艱難又如此罕見，科學(xué)家為何要執(zhí)著于碰撞出更多的玻色子？

“More is different（更多帶來不同）”，李強(qiáng)引用諾貝爾物理學(xué)獎得主菲利普·沃倫·安德森的著名宣言回答，越是基本物質(zhì)，越要多樣，這樣才有發(fā)現(xiàn)更多“寶藏”的可能。

“寶藏”蘊(yùn)含在差異中。

標(biāo)準(zhǔn)模型是粒子物理學(xué)中一套描述基本粒子的理論模型。目前，幾乎所有的電磁力、強(qiáng)力和弱力3種力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都合乎這套理論的預(yù)測。它雖然是目前最成功的一套理論模型，但宇宙中仍然有許多標(biāo)準(zhǔn)模型解釋不了的問題。這意味著它并不是“終極”理論，而任何與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的差異都可能暗示未知粒子的存在。

數(shù)十年來，全球高能物理界既視粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型為珍寶，也視其為挑戰(zhàn)——有時，科學(xué)家們想舍棄它，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的“新”物理現(xiàn)象。

“新”標(biāo)準(zhǔn)模型是否存在？茫茫大海上，無數(shù)“航海家”“千帆競發(fā)”，但駛向不同的方向。

李強(qiáng)是其中之一，他的航向是很少人去的偏遠(yuǎn)之地——玻色子，目前國際上只有少數(shù)團(tuán)隊(duì)從事相關(guān)研究。自2010年以來，他和北京大學(xué)高能物理實(shí)驗(yàn)組的同事們致力于高能對撞機(jī)上的多玻色子物理研究，取得了大量有開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的成果。

2022年，他們在世界上首次發(fā)現(xiàn)了三W玻色子共振態(tài)，此項(xiàng)研究開辟了茫茫大海上的新航線。

李強(qiáng)表示，高能物理確實(shí)處在比較艱難的時期，“在人跡罕至的地方探險，雖然有著未知和挑戰(zhàn)，但也有著新發(fā)現(xiàn)的可能性”。

李強(qiáng)期待著玻色子給高能物理帶來新的“盛宴”。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.121901

《中國科學(xué)報》 (2024-03-27 第1版 要聞)

（原標(biāo)題：粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型再獲成功 數(shù)十億次碰撞中發(fā)現(xiàn)玻色子新“寶藏”）