新物理学的曙光来了？

　　在一系列与底夸克相关的衰变实验中，物理学家似乎观察到与粒子物理学标准模型预言不符的迹象。这有可能让他们突破久经考验的粒子物理学标准模型理论。
　　物理学家看待实验结果的方式与你我普通人是有很大的不同的。
　　我们做实验，譬如验证牛顿第二定律，假如结果偏离了理论，会让我们很紧张，这意味着实验可能要重做了。因为我们心里清楚，牛顿是不会错的，错的只会是我们。
　　但对于物理学家来说，假如一个实验结果与理论不符，只会让他们高兴，尤其是当结果与一个被一再证明是正确的理论发生冲突的时候。因为这些理论的正确性早已有目共睹，你再做一个实验证明其正确，实在没多大意思，只有证明它错了或者有漏洞，那才让他们大喜过望。
　　标准模型漂亮但不够完美
　　所以，当前，物理学家看待粒子物理学的标准模型的态度就是这样：巴不得它出错。
　　一方面，标准模型被认为是最漂亮的理论。它成功地描述了我们这个世界除引力之外，所有粒子和基本作用力的行为。迄今为止，还没有一例实验的结果与该理论相悖。
　　但另一方面，物理学家也很清楚它不够完美：标准模型无法告诉我们组成暗物质的粒子是什么。暗物质是一种看不见的神秘物质，占据了宇宙中全部物质质量的85，正是它们的引力使得星系不至于解体。标准模型也不能解释暗能量。暗能量占据了宇宙全部物质能量的大约68，被认为是宇宙加速膨胀的幕后推手。标准模型甚至不能告诉我们这个主要由物质组成的宇宙是如何幸存下来的。因为照道理，在大爆炸中产生的物质与反物质是等量的，此后它们相互湮灭，应该什么都不会剩下。
　　更重要的是，标准模型自身也有几个明显任意的地方，需要更深入的解释。譬如，在最基本的层面上，标准模型把粒子分为三代：第一代包括电子、e型中微子和上下夸克；第二代包括子、型中微子、粲夸克和奇异夸克；第三代包括子、型中微子、顶夸克和底夸克。所有普通物质都由第一代的粒子所组成；第二及第三代粒子只能在高能物理实验中产生，而且会在短时间内衰变成第一代粒子。把这些粒子排列成代是因为每一组的四种粒子与另一组对应的四种粒子性质几乎一样，唯一的区别是质量不同。可是，为什么会有代的存在以及为什么不能有更多的代，长期以来一直是一个谜。
　　基于上述原因，物理学家深信标准模型是有缺陷的，渴望突破它，引入新的物理学理论，只是苦苦找不到一个突破口。
　　但是最近，一线曙光似乎出现了。一系列的实验暗示，可能存在新的粒子和新的基本作用力。
　　底夸克的衰变异常
　　这些实验涉及标准模型中属于第三代的一个基本粒子底夸克（见小贴士：底夸克）。
　　当电子或者质子加速到接近光速，面对面相撞的时候，会产生质量比相撞粒子自身要高得多的奇异粒子，包括底夸克。底夸克的存在时间仅约为一万五千亿分之一秒，然后很快衰变为其他粒子。
　　像底夸克这样质量极大的不稳定粒子，其衰变方式是非常多的，正如一个杯子可以打碎成2块、3块、4块更多块，每一块碎片的质量又可以千变万化一样。物理学家感兴趣的是底夸克衰变成另一种叫奇异夸克的粒子的衰变方式。在此过程中，它要么发射出两个正反电子，要么发射出两个正反子。
　　在标准模型中，粒子按其质量分为轻子和重子两大类。夸克属于重子，电子、子属于轻子。电子、子所带电荷相同，只是质量不同。子的质量是电子的207倍。
　　在标准模型中，有一条规则，说所有轻子除了质量上的差异，其他行为完全相同。这叫轻子普遍性规则。把这条规则应用到底夸克的衰变上，意味着底夸克衰变成正反电子和衰变成正反子的概率应该相同。譬如说，底夸克衰变成正反电子的概率是百万分之一，那么它衰变成正反子的概率也应该是百万分之一。
　　但2000年代中期，一些实验数据显示，底夸克衰变成正反子的概率似乎比衰变成正反电子的概率要小一些。这就与标准模型发生矛盾。不过，由于当时观察到的衰变事例太少，统计误差很大，所以还不能下最后的结论。
　　2014年，物理学家在欧洲核子中心的大型强子对撞机上重做了实验，这一次误差缩小了，但结论维持不变，即底夸克衰变成正反子的概率比衰变成正反电子的概率还是要小一些。可惜这次实验的误差还是没有缩小到可以让我们下明确结论的地步，证明这确实与标准模型发生矛盾。
　　此外，在这次实验中，物理学家还直接测量了底夸克衰变成正反子的概率以及衰变中产生的粒子飞出的角度，并与标准模型的预言进行比较。这一次，有更强烈的迹象表明，实验结果与标准模型存在偏差。然而，这些证据仍然有很大的不确定性。
　　没错，上述几个实验（比较底夸克衰变成正反电子和它衰变成正反子的概率，直接测量底夸克衰变成正反子的概率，以及测量衰变中粒子飞出的角度）的结果，单从每一个来看，似乎都不足以做出明确的结论。但三个实验都不约而同显示出违反标准模型的迹象，在一些物理学家看来，标准模型确实有点悬了。
　　新粒子和新的基本作用力？
　　那么，假如底夸克的衰变确实违反了标准模型，导致这一异常的会是什么呢？
　　由于主宰粒子衰变过程的是弱核力，传递弱核力的是叫做W、W和Z0的粒子，但在标准模型中，这三个粒子对电子和子的作用强度相同，无法解释底夸克衰变成正反子的概率比衰变成正反电子的概率还是要小一些这种异常，所以有人提出：也许存在一种新的基本作用力，由一种叫Z’的假想粒子传递。Z’是一种非常重的、电中性的粒子，关键是它与电子和子的相互作用强度是不同的（或者它只与子作用，不与电子作用）。换句话说，Z’不再对电子和子一视同仁。这就可以解释为什么底夸克衰变为子的概率比衰变为电子的概率小。
　　如果存在一种新的基本作用力，那将激励物理学家重启大统一理论的研究，意义重大。
　　在20世纪下半叶，物理学家发现，标准模型所描述的三种基本作用力（强核力、弱核力和电磁力）都可以统一起来，用一种理论来描述。这就是所谓的大统一理论。
　　但问题是，大统一理论预言质子应该衰变，而迄今的实验都没有看到质子衰变的迹象。更重要的是，要探测大统一理论预言的一些新粒子，所需能量比大型强子对撞机所能达到的能量还要高一万亿倍，远远超出了实验能力的范围。因此，大统一理论的研究已经停滞了几十年。
　　而现在，在能量低得多的情况下，我们也能探测到新的作用力存在的迹象，这对于物理学家来说不啻是一个巨大的鼓舞。研究新的基本作用力，把它纳入大统一理论，成了他们新的奋斗目标。
　　轻子和夸克是一家？
　　与此相似，另一些物理学家也提出可能存在一种新的基本作用力，但产生机制与上述主张略有不同。
　　前面提到，标准模型把基本粒子分成轻子和夸克两大类。正如携带电荷的粒子具有电磁作用，夸克携带一种叫色的荷，所以夸克之间有强核力作用。但像电子、子这样的轻子不携带色荷，所以轻子跟夸克没有强核力作用。正如电荷分正负两种，色荷有三种：红、绿和蓝。当三色凑在一起，就显色中性（不带色）。
　　而现在，有人提出，也许存在着第四种色：紫。这种色荷为轻子所携带，所以轻子实际上只是不同色的夸克。这样，就把轻子和夸克统一起来。
　　在标准模型中，在夸克之间传递强核力的是一种叫胶子的粒子。而现在，既然假设轻子也是一种特殊的夸克，在轻子和夸克之间必然也存在一种新的基本作用力，其传递粒子暂且被称为轻子夸克。轻子夸克是一种大质量粒子，既与轻子作用，也与夸克作用，所以参与了底夸克衰变成电子或子的过程。由于它与电子和子的作用强度不一样（至于它与电子和子的作用哪个强，这要看它对底夸克的衰变起到促进作用还是阻止作用），导致底夸克衰变成正反电子和衰变成正反子的概率不一样。
　　这个猜想尤其令人振奋，因为把轻子和夸克统一起来，这是旧的大统一理论也没办法做到的事情。这同样激励物理学家去发展大统一理论。
　　与此同时，实验家们也忙碌起来。一批人打算继续做实验，以验证底夸克衰变异常是否属实，而2012年发现了希格斯玻色子的大型强子对撞机则开始探索如何去寻找可能存在的Z’粒子或轻子夸克。
　　如果新出现的情况得到证实，我们不仅将突破标准模型，对自然界的深层次理解将发生一次飞跃，或许还有助于我们对暗物质、暗能量的理解。
　　新物理学的曙光似乎正在冉冉升起，这会是真的吗？
　　小贴士：底夸克
　　我们知道，原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成。而质子和中子又由夸克组成。夸克有六种：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克。
　　底夸克带13个基本电荷，其质量是电子的大约9300倍，是质子的大约5倍。
　　底夸克不组成质子或中子，它主要构成介子（由两个夸克组成的粒子，而质子和中子是由三个夸克组成的）。例如，B介子含有一个底夸克与一个上夸克或下夸克。Bc介子含有一个底夸克与粲夸克。