【物理新知】標準模型的新缺口?

■位於歐洲核子研究組織(CERN)的LHC的LHCb實驗對B介子的衰變進行仔細的測量,結果實驗結果與標準模型的預測不太一致。

Photo:CERN
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撰文|陳勁豪

粒子物理的標準模型可以用來解釋基本粒子間的交互作用並進行計算。另一方面,實驗粒子物理學家可以對這些交互作用進行精確測量,並把結果與理論計算比較。經過了五十多年的相互驗證,粒子物理的標準模型幾乎通過了所有驗證,認為是最成功的物理理論之一。也因為如此,對粒子物理學家而言,他們認為這不是個好消息。因為如果的現象都可以透過標準模型算出來而且都跟實驗一致,那粒子物理就找不出新的突破點,沒有辦法找到其不足的地方,進而繼續發展前進。

不過就像前文最後所說的,標準模型「幾乎」通過了所有驗證。最近LHCb的實驗結果就給了粒子物理學家一些新的希望。我們日常中常見的電子是標準模型中的一種基本粒子。而且在標準模型中,事實上有著電子三兄弟。除了電子之外,另外還有兩個更重的親戚,分別是緲子(muon)跟濤子(tau)。緲子跟濤子的性質都跟電子一樣,只是緲子比電子重,濤子又比緲子更重。所以在標準模型裡面,如果不考慮質量差異,那麼這三種粒子的行為應該完全一致。

LHCb實驗可以對LHC中經由高能質子對撞所產生出來的B介子進行精確的測量。B介子是由底夸克(bottom quark)與另外一個夸克所結合成的粒子,一旦產生之後會很快衰變。物理學家主要由衰變之後所產生的粒子來回推B介子的性質。LHCb仔細測量的B介子衰變後產生濤子跟產生緲子的機率。根據標準模型,再考慮質量效應後,這兩種反應的機率應該相等。但是LHCb所看到的結果與標準模型所預期的結果並不一致,大約有2.1個標準差的差異。

在粒子物理的世界中,由於所有的實驗結果都是由大量的數據統計而來, 為了避免觀測到的結果是由統計誤差所產生,所以三個標準差的結果可以稱為看到「跡象」(envidence),五個標準差才可以被認為是「證據」(discovery)。或是說,兩個標準差的結果,大約有5%的機率是因為統計誤差所造成,三個標準差大約是0.3%的機率,五個標準差則是0.00005%。

所以LHCb的實驗結果是2.1個標準差,照理說是不太有趣的結果,不過卻依舊引起了相當大的重視。原因很簡單,因為2012年,位於美國史丹佛直線加速器(SLAC)的BABAR實驗,利用正負電子對對撞產生B介子,對同樣的反應進行測量,也得到了類似的結果,結果是2.7個標準差。而位於日本KEK實驗室的Belle實驗,也看到了類似的結果,只是效應沒有那麼顯著。

三個不同的實驗團隊,不同的實驗狀況卻同時看到了類似的結果。因此儘管結
果尚未達到三個標準差,但卻引起了粒子物理界相當大的興趣。大家都很期待,如果能夠有更多的數據,究竟會不會一舉跨過三個標準差,甚至是五個標準差,為標準模型帶來新的缺口?讓我們拭目以待。

原始論文
Measurement of the Ratio of Branching Fractions B(B¯0→D*+τ−ν¯τ)/B(B¯0→D*+μ−ν¯μ)
LHCb Collaboration
Phys. Rev. Lett. 115, 111803
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.111803

參考資料
1. Nature News 2015/09/03: LHC signal hints at cracks in physics' standard model
2. Phys.Org 2015/08/27: Evidence suggests subatomic particles could defy the standard model

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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