大型强子对撞机发现新粒子了吗？仅为实验数据错误

北京时间8月17日消息，据国外媒体报道，当你到处寻找丢失的钥匙时，有时恰恰是那些你注意不到的死角能帮你判断钥匙可能所在的位置。在科学界，研究人员在寻找新物理现象时，有时也会利用类似的方法。2015年12月，世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）的科学家们认为，他们或许发现了一种全新的粒子，如果成真的话，这将会引领科学家进入一个全新的领域。 图为大型强子对撞机中的ATLAS探测器。 ATLAS探测器是大型强子对撞机中最强大的两台全能探测器之一。 然而，这些发现不过是虚晃一枪而已，仅仅是实验数据导致的巧合。 虽然结果不尽人意，但专家认为，他们在这次实验中一无所获，恰恰说明了现有的粒子物理理论是正确的。但此次结果让这个未解之谜变得更加费解，并迫使科学家们去寻找新粒子、或者新种类的力的“藏身之处”。 “坏消息是，这些测量结果不能说明任何事情，”理论物理学家马特·斯特塞勒（Matt Strassler）说道，“而好消息是，‘不能说明任何事情’本身也是件好事。” 斯特塞勒近日针对此次研究的经验和教训，在欧核中心（CERN）发表了一次演讲，他指出：“这就像眯着眼看东西，有时你确实能看到东西，但有时不过是眼前的幻象而已。” 高能碰撞 大型强子碰撞机使用了约9600块强力磁铁，让强子在长度为27公里的环形轨道中以接近光速的高速运行，然后让它们撞在一起。强大的碰撞会释放出大量亚原子粒子和射线，为我们对物质的基本组成构件获得更好的了解。 在进行了长达两年的升级之后，大型强子对撞机于去年重新启用，将以更高的能量级运行。 在去年12月的那次研究中，科学家注意到，ATLAS探测器（超环面仪器）和CMS探测器（紧凑渺子线圈）发现实验获得的数据中出现了一个“峰”，即有一部分数据高出了其它数据（该实验本来是用来探测光子或其它粒子的）。 这个“峰”太过明显，引起了科学家的好奇。如果这一发现确认为真的话，它将会证明，科学家首次发现了带有750千兆电子伏特（GeV）能量的粒子。而在大型强子对撞机中，目前运行的粒子能量可以达到13万亿电子伏特。 碎片中的数据 相撞之后，强子中携带的能量便会转化为粒子，每种粒子都会带有一种特殊的能量。不过，这些粒子大多数都比较短命，很快便会衰变成为其它粒子和光子。 因此，人们通常使用间接的方式来探测粒子。2012年，科学家就是用这种方法发现了希格斯玻色子的。希格斯玻色子是一种基本粒子，科学家认为它可以解释其它粒子的质量来源于何处。正因为如此，去年12月的实验数据中发现的“峰”才那么令科学家激动不已。 但SLAC 国家加速实验室的理论物理学家迈克尔·佩斯金（Michael Peskin ）指出，CMS探测器的最新数据显示，去年12月发现的750千兆电子伏特可能只是一个假信号，这类实验中有时就是会出现这样的问题。 即使是在去年12月，有些物理学家（包括佩斯金在内）就已经对这一发现产生了疑虑。他注意到，在大型强子对撞机工作的一些研究团队发表了一份声明称，“此次发现的显著性差异过低，不足以作为一次观察结果来报告”。 但斯特塞勒表示，这并不意味着此次发现毫无用处，也不能说明那些试图解释此次发现的论文全都说错了、不值得予以考虑。这些研究工作在今后也许能为科学家提供重要的研究视角。 “与做出新发现相比，我们要花上更长的时间，才能确保没有遗漏之处。”他说道，“750千兆电子伏特虽然很大，但它也许能引领我们找到某种目前尚未发现的、体积极小的粒子。” 乐观的一面 像这样的研究结果具有十分重要的意义，因为它们能揭露出现有的理论中存在哪些概念性问题。在此次研究中，我们所说的理论就是“标准模型”，它对构成宇宙的亚原子粒子进行了描述，在物理学中占据着统治性地位。 但暗物质的发现说明，标准模型并不完善。此外，物理学家和宇宙学家还难以解释，宇宙为什么由物质占主导，而不是反物质；也难以解释希格斯场为什么能赋予物质能量。 “对于希格斯玻色子，我们只能说，‘它就是这样的”。”佩斯金说道，“我可不喜欢这么说。”他认为希格斯场之所以具有这样的特性，一定有某种原因可以解释，而标准模型理论本身是无法提供答案的。 这就是阴性结果的作用所在。例如，标准模型有很多延伸理论，提出了一种名叫超对称性的理论。这些理论指出，每一个粒子都有一个尚未发现的、与之成对的粒子。而这些成对粒子的存在将帮助物理学家更好地理解希格斯玻色子为什么具有这样的能力（按照该理论的预测，希格斯玻色子也存在与之配对的粒子）。 佩斯金指出，多年以来，阴性结果曾多次帮助研究人员缩小可能有效的超对称性模型的范围。“基本上，在过去十年中提出的所有超对称性模型如今都被否定了。”他说道。这并不意味着超对称性模型就是错误的，但这能帮助研究人员更专注于理论工作。 历史教训 在科学史上，有许多阴性结果最终都引领科学家做出了更伟大的发现。1887年，阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson）和爱德华·莫立（Edward Morley）开展了一项实验，希望能发现以太——一种当时认为能够携带光波的介质。如果以太存在的话，光速就应该随着光束前进的方向而改变。但以太实际上是不存在的，数年之后，阿尔伯特·爱因斯坦利用他们的阴性结果，提出了著名的相对论，认为时空本身会不断变化，从而保证光速在各个参考系中都恒定不变。 当时令科学家感到困惑的是，他们不知道光波究竟是如何传播的。“也许光波和我们知道的其它波都不一样，”斯特塞勒说道，“它们不需要介质就能传播。” 斯特塞勒注意到，目前还没有人敢草率地定下结论。例如，通过迈克耳孙和莫立的实验，人们意识到光波不需要介质就能传播。而对于粒子物理学家而言，他们还不清楚接下来将会发生什么。他们遇到的可能只是技术性问题，如果使用更好的加速器和探测器，也许就可以发现新粒子了。但斯特塞勒指出，他们遇到的也有可能是概念性问题，就像迈克耳孙和莫立当年一样。 有些物理学家认为，阴性结果本身并没有什么重要的意义。“我们知道标准模型理论并不完善，到了一定的能量级上，这一理论必须向外延伸。但从理论上来说，延伸的结果可能有数百万种之多，我们必须从实验中寻找线索，确定哪个才是正确的方向。”法国国家科学研究院的理论物理学家亚当·法尔克斯基（Adam Falkowski）说道。 不过，费米国立加速器实验室的博士后研究员南·特兰（Nhan Tran）表示，此次研究结果还是起到了一定的帮助的。“它帮助我们缩小了研究范围，”他说道，“让我们更加关注正确的研究方向。” 佩斯金认为，把目前的研究与前人寻找以太的实验相提并论，未免有些言过其实了。“迈克耳孙和莫立推翻了之前的理论，”他说道，“而标准模型理论的基础要更加稳固。”不过他还补充说，这样的结果让他对超对称性理论不再那么抱有信心了。“有时我相信它是真的，”他说道，“但有时我也会产生怀疑。” 但与此同时，大型强子对撞机又是一件强大的新工具。佩斯金表示：“如今我们探测超对称性粒子的能力已经大大加强了，如果你相信它们存在的话，也许它们明年就会露出庐山真面目了。”

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