英国《新科学家》周刊1月15日一期发表题为《物理学的新曙光——大型强子对撞机找到了迄今为止最有力的迹象，表明有一种新粒子可以改变游戏规则》的文章，作者系哈里·克利夫。文章称，如果浮现的图景得到证实，我们对自然界组成要素的理解将迎来一场革命。全文摘编如下：
2021年1月20日晚6点半，在漫长的冬季封锁的阴霾中，一个小团队在Zoom上开会，分享一个他们知道可能永远改变物理学的时刻。伦敦帝国理工学院的米特什·帕特尔说：“我真的在发抖。”他和他的团队即将“解开”期待已久的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）的结果，这一实验可能最终会打破标准模型，也就是我们目前对自然界基本运行情况的最佳描述。

这项测量涉及被称为“美夸克”或“底夸克”的亚原子粒子。在过去的几年里，它们的行为暗示了有超出我们既定理解的力。现在，随着迹象持续得到证实，更多的结果即将出现，现在是关键时刻。如果这些夸克的行为就像它们看起来那样，那么我们看到的不仅是一种未知自然力的影响，也许还勾勒出了一种新的统一的粒子和力学理论的轮廓。

连贯的“美夸克异常”

美夸克的传奇始于21世纪头十年中期，当时德国慕尼黑大学的理论物理学家古德伦·希勒，从日本的贝尔实验和在加利福尼亚州进行的巴巴实验的海量数据中获得见解。电子与其反粒子正电子的碰撞产生美夸克。美夸克在衰变成其他粒子前会存活片刻——平均约1.5万亿分之一秒。

希勒对一种极其罕见的衰变特别感兴趣，在这种衰变中，美夸克变成了奇夸克，这是六类夸克中第三重的夸克。在此过程中，它会发射两个带相反电荷的μ子，也就是较重版本的电子。像这样的罕见衰变是非常有价值的，因为如果它们存在的话，可能会受到未知的自然力的强烈影响。我们的想法是对这样的衰变进行最精确的测量，并将它们与理论物理学家使用标准模型所能收集到的最精确的预测进行比较。如果两种结果不一致，就有证据表明有新的力。

十年后，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上的碰撞开始产生一系列的美夸克，LHCb实验记录并分析了这些美夸克。

第一次异常是在早期测量时发现的，产生一个奇夸克和两个μ子的衰变发生的频率比标准模型预测的要少。然后，在2013年，LHCb实验发布了一项新的测量，分析了在这些衰变过程中产生的粒子飞出的角度。这次，出现了更强烈的偏离标准模型的迹象。然而，理论上仍有足够的不确定性，有待商榷。

2014年，LHCb发布了第一个测量数据，比较了美夸克衰变成μ子和电子的频率。让几乎所有人都感到意外的是，数据再次与标准模型不符。

粒子物理学中的异常现象来来去去，而对μ子-电子比率的测量本身还没有跨过统计确定性的门槛，因此它还不能被视为决定性的发现。但是，所谓的“美夸克异常”有一种连贯性，这使得越来越多的物理学家认为这是真的。

“我已经变成了一个信徒，”剑桥大学的理论物理学家本·阿兰纳奇说，“总是有合理的怀疑，但事实是，这种怀疑来自许多不同的角度，而且说的是同一件事，这一事实相当令人信服。”

“大统一理论”的边缘

在这种情况下，是什么导致了这些异常呢？阿兰纳奇在过去的几年里一直试图弄清楚这一点。对他来说，最有希望的候选粒子是一种被称为Z prime的假想粒子所携带的力。这将是非常重的、中性的，关键是，它将与电子和μ子产生不同强度的相互作用。这可以解释为什么美夸克衰变成μ子的频率比衰变成电子的频率要低——Z prime阻止了它们。

如果美夸克异常揭示了一种几乎完全作用于第三代粒子的新作用力的存在，就可以解释不同代粒子的不同了。

这股新自然力的影响还不止于此。在20世纪下半叶，物理学家发现，标准模型所描述的三种自然力——强力、弱力和电磁力——都可以用数学对称性来描述。在20世纪70年代，人们大力推动将这三种力结合到一个更大的对称性下，创建所谓的大统一理论。

“美夸克异常”现象似乎正在复活旧的大统一理论的某些方面，但能量远远低于任何人的预期。阿兰纳奇认为，我们目前看到的新自然力的迹象可能是一种更宏伟的对称性的低能量残留物，只有在非常高的能量下才会变得明显。换句话说，我们可能瞥到了大统一理论的边缘。

迎接物理学新革命

希勒开创了对“美夸克异常”的另一种更深远的解释——一种被称为轻子夸克的粒子。轻子夸克将再次成为一种新的力的载体。这种作用力会将夸克直接转化为电子、μ子和τ子，统称为轻子——因此，也就是粒子的名称。

现在的挑战是证明这些异常现象是真实存在的。已经在LHCb实验中进行新的测量，以确认这种情况并测试隐藏的实验影响。

与此同时，围绕这些异常现象日益增长的兴奋已经唤醒了大型强子对撞机的两只巨兽——超环面仪器实验和紧凑μ子线圈实验。2012年，它们发现了希格斯玻色子，这是一种长期被预言的标准模型粒子，给出了所有其他基本粒子的质量；现在，开始考虑如何才能探测到预测的Z prime或轻子夸克。在日本，贝尔2实验正在逐步积累数据，这将使其能够独立检查LHCb的几个结果。

如果浮现的图景得到证实，我们对自然界组成要素的理解将迎来一场革命。这可能会揭示标准模型下更深层次的结构，同时甚至可能让我们掌握暗物质的性质或希格斯玻色子的奇怪特性。如果发生这种情况，这将是自标准模型建立以来，基础物理学领域最伟大的发现。赌注很高，游戏开始了。