2016年前半年物理学领域最激动人心的事件之一，或许就是去年年底大型强子对撞机LHC疑似发现的“750 GeV新粒子”了。根据SCI数据库的统计，到12月30日为止，2016年物理学领域引用次数最高的20篇论文中，12篇都是关于这个粒子——然而，今年8月，LHC正式宣布这个令人兴奋的信号并非来自新粒子，只是个统计波动。它是怎么“疑似被发现”，又是怎么没了的，为什么受到这么多关注？它的“出现”和“消失”对高能物理来说意味着什么？
撰文 Elizabeth Gibney 等
编译 李一冉 撖静宜 丁家琦
图为LHC的CMS探测器。CMS是去年检测到一种潜在新粒子的存在迹象的两大探测器之一。图片来源：Stefano Dal Pozzolo/Contrasto/eyevine
2015年12月，LHC科学家宣布，他们在2016年4月到11月间收集的数据中找到了一个可能意味着新粒子的“凸起”，而且值得注意的是，CMS和ATLAS两个探测器都独立地发现了这个信号。如果这真的意味着一种全新的粒子，那么，它的影响将比发现希格斯玻色子更为重大，因为这将成为首个标准模型不能解释的粒子，它将标志着粒子物理学界的新纪元的开始。标准模型是描述基本粒子及其相互作用的理论，它到目前为止非常成功，但由于没有包括引力，也无法解释暗物质，还远算不上“终极理论”。因此，物理学家一直在寻找超越标准模型结论的实验证据。
然而，2016年8月5日，LHC两大独立实验——ATLAS和CMS的代表，在美国芝加哥举办的国际高能物理会议（ICHEP）上宣布，他们继续分析了4倍量的数据，发现随着这些数据的积累，去年12月发现的“新粒子”的信号已经几乎衰减至无，也就是说，所谓的“新粒子”只不过是个统计波动。
“在2016年的数据中，我们没有发现显著的信号。” 欧洲核子中心（CERN）的物理学家、ATLAS实验的发言人Bruno Lenzi在ICHEP的一场座无虚席的会议上报告道。在Lenzi发言之后，CMS实验的发言人、来自罗马国家核子物理研究所的物理学家Chiara Ilaria Rovelli也带来了坏消息：CMS实验所得的新数据也没有能生成这种显著信号。“不幸的是，2015年发现的疑似信号并没有得到2016年数据的证实。” 她说。
虽然没有发现新粒子令研究人员感到失望，但这也是情有可原的：ATLAS在今年6月最新更新的数据中，将该信号的显著性定于2.1σ，而要想确认一个信号代表着真实发现，而非噪声干扰，信号的显著性需要达到5σ。
σ是什么？简单来说，它代表着一种概率。5σ意味着，如果这一信号不是来自新粒子，它单纯由随机涨落产生的概率小于3×10^(-7)。5σ是粒子物理与天体物理学判断一个信号是否代表新发现的黄金标准，2012年LHC发现希格斯玻色子时的置信度高达7σ，今年年初先进LIGO首次捕捉到引力波信号时的置信度也达5.1σ。
但由于ATLAS和CMS两个实验都独立发现了这一信号——750千兆电子伏特（GeV）能量处比预期略高的双光子信号，物理学家希望此信号属实，因为这就代表着一种潜在的新粒子。LHC宣布这一信号后，已经出现了数百篇试图解释这个潜在新粒子的理论物理学论文，其中有些被引次数颇高。
如果新粒子成真，它代表着什么？
美国费米加速器实验室的物理学家Don Lincoln表示，物理学家之所以对于信号如此振奋，主要源于它有潜力带来重大突破。目前为止，物理学对力和物质的描述已经极为成功，这一套描述被称为标准模型，囊括了所有已知的基本粒子和相互作用，它能成功地做出预言并得到验证——2012年LHC发现的希格斯玻色子就极好地验证了标准模型。但是标准模型是不完整的，因为它无法解释暗物质等神秘现象，也无法把量子力学和相对论统一起来。而如果实验发现一种标准模型未能预言的新粒子，则有望成为带领物理学家通向新理论的第一个指路标。Lincoln说：“虽然大部分科学家都推测去年12月的这一信号是假的，会随着数据量的增长而消失，但还是有很多科学家相信它可能成真，甚至激动地度过了几个不眠长夜。”
“哪怕只看到匆匆一眼，甚至半眼，都会让人屏住呼吸，并且思考着如果这是真的会如何，因为它太过珍贵，人们绝不会放弃任何一丝探索它的希望。”英国利物浦大学粒子物理学家Tara Shears说。
双光子信号之所以这么有吸引力，一部分原因是对其的分析可以相对简单而有力。同时，提出能解释这一信号，又不与其他实验结果相冲突的模型也是相对容易的，瑞典查尔姆斯理工大学的理论物理学家Christoffer Petersson说。
对这种现象的一个可能的解释就是，新粒子是一种比希格斯玻色子更重的类似粒子，也有人认为它可能是一种暗物质粒子，或是引力子。
尽管随着这一信号被证实为统计波动，由此诞生的所有模型也都被证实为错误的，Petersson并不认为这些研究是无效的。“这是一次用不同的观点解释这次实验结果的有趣尝试，我也确实在这个过程中学习到许多东西，”他说。
Lincoln说，统计上的波动和真实发现在一开始看起来都是一样的。在很宽的质量范围内进行数千次搜索的情况下，这种巧合是很有可能发生的，类似的迹象在过去也曾多次出现又消失，他说，“这样的循环在未来可能还会发生许多次。”
LHC何去何从？
但是，这次的假警报不会影响LHC在未来发现其他东西的可能性。Petersson说：“想想还有其他LHC实验到现在依旧一无所获，这并不算是一个重大的打击。”他说。对于在LHC的实验项目和研究人员来说，未来一切如常。
在标准模型诞生40年之后，一些物理学家担心以后可能再也不会有超越标准模型的发现，因为LHC或者在其之前的任何粒子加速器都没有此类发现。不过，自2015年6月以来，LHC一直以13万亿电子伏特（13 TeV）的粒子能量运行，这已经十分接近它可以运行的最大粒子能量——14 TeV。
LHCb实验室的发言人Guy Wilkinson说，升级以来，LHC的数据中没有出现超出预计的信号是令人吃惊的。这凸显了学界因为迟迟没有新发现而与日俱增的不安情绪，而且也意味着超对称理论——当下流行的超越标准模型的理论——被证实为真的可能性越来越小。
但是Petersson表示，LHC仍然有可能发现超越标准模型的粒子。如果新粒子太过稀少，它们衰变的方式极难观察到，那么它们就需要更长的时间才能出现。
Shears说：“达到高能量并不是发现新粒子的唯一途径。通过足够多的数据也可以发现新粒子，因为那些因质量太重而很难直接产生的粒子，可能通过它对其它已知粒子作用所产生的细微影响而被我们发现。”参与欧洲核子研究中心LHCb实验的物理学家已经在其实验数据和标准模型的预测间发现了这种偏差的迹象，但他们还需要更多信息来证实这一发现。
Tonelli乐观地相信着新的发现终会到来。“我们都深信，早晚有一天必会出现一个标准模型不能解释的异常值，在消除统计误差后仍然坚挺地存在，并瞬间改变一切，”他说，“而它随时都可能发生——这就是我们高能物理学家工作的魅力。”
附录：2016年物理学领域高被引论文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）
（数据来源：SCI，整理：撖静宜，截止时间：2016年12月30日11:00）
文章参考来源：
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/
发表于 2016-12-30 17:43
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