新粒子的期待落空了

ATLAS重建一個質量為2.2TeV的雙光子事件
ATLAS重建一個質量為2.2TeV的雙光子事件

■LHC的ATLAS與CMS實驗日前分別發表了最新的實驗結果:眾所矚目的質量為750GeV的新粒子並不存在。

撰文|陳勁豪

在基本粒子的標準模型中,目前我們已經找了所有的粒子,其中最重的兩個粒子分別為質量為173GeV的頂夸克與質量為125GeV的希格斯粒子。但是許多超越粒子物理標準模型的理論都預言有其他質量更高的粒子存在,因此位於大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)的兩大實驗:ATLAS跟CMS,正分別在尋找新的具有高質量的基本粒子。在2015年12月,ATLAS與CMS同時發現,如果假設這個重粒子會衰變成兩個光子,那麼透過這個雙光子衰變所重建出這個重粒子的質量後,在質量為750GeV的時候,看起來似乎有個新的粒子存在。

這個結果在過去質心對撞能量為8TeV的時候並不明顯,但是在13TeV的時候確有比較明顯的訊號,但是訊號強度還沒有達到高於背景達五個標準差的水準,因此物理學界還沒有辦法證實他們找到了這個新粒子,只能說是看到了新粒子的跡象。

儘管如此,這個實驗結果依舊震撼了高能物理學界,因為如果這個新粒子的確存在,而且可以藉由雙光子衰變的模式觀察到,那這個結果將對高能物理界有相當重要而深遠的影響,因為這個新粒子並不存在於目前的標準模型之中,要解釋這個新粒子,必須要有超越標準模型的新理論。換句話說,物理學家可以得到關於新物理的線索。

因此高能物理學界對2016年的新數據具有相當高的期望。LHC在2016年的新數據跟2015年一樣,都是質心對撞能量為13TeV,但是數據量比2015年更大了好幾倍。因此如果這個新粒子的確存在,那們2016年的新數據將有很高的機會可以讓這個新粒子現身。

2016年八月初於芝加哥舉行的國際高能物理會議(International Conference of High Energy Physics, ICHEP)是高能物理學界最重要的會議之一。ATLAS與CMS在ICHEP中同時發表了根據2016年新數據所得到的結果:兩個實驗都沒有發現這個質量等於750GeV的新粒子。去年十二月這兩個實驗所看到的結果很有可能是因為統計誤差所造成,而且剛好都是往上加強的那種統計震盪。因此當加入了更多數據的時候,這個訊號就消失了。

這個結果對高能粒子物理當然不是好消息。因為這表示即便LHC是目前能量最高的加速器,但是物理學家似乎還是沒有辦法看到超越標準模型的新物理現象出現。這有兩種可能,一是LHC的能量無法製造出更重的基本粒子,或是這些質量高的基本粒子產生的機率極低,LHC目前的數據量還不足以觀測到這些粒子的存在。這部份可以約略想像成買越多的彩券(有大量的數據),就更容易中大樂透(找到新的基本粒子)。

所以儘管這次沒有看到新的粒子,但這絕不表示LHC之後就不會找到新物理的跡象。畢竟,我們不知道新物理將會以何種形式出現,或許新物理會以相當意外的形式出現。究竟結果如何,將有待LHC的物理學家們繼續努力。

相關報導
1. ATLAS 2016/08/05: High-mass di-photon resonances: the first 2016 ATLAS results
2. New York Times 2016/08/05: The Particle That Wasn’t

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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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