2017年粒子物理学会有所突破吗？

本期待会是有所突破的一年，但2016年粒子物理学却笼罩在零结果的阴影之中。有些人为此感到焦躁不安，有些人则继续寻找实验/观测证据，有些人则静下心重新思考我们是否走错了方向......

新年的头几天，或许有许多人还没缓过神来，但有一些科学家则发表了他们的最新研究进展。而他们的结果，也让我们重新看到了一丝曙光。

1. 科学家相信在宇宙大爆炸后，有等量的物质和反物质被创造出来。但为什么宇宙中的物质要远远超过反物质？是什么造成了它们之间的不对称性？我们还不知道答案，但物理学家刚刚发现了不对称的新来源。

△ LHCb实验。（图片来源： Maximilien Brice/CERN）

在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中，科学家找到了解释我们的世界为什么是由物质构成而不是反物质的新线索。他们找到了在重子中CP（电荷-宇称）破坏的证据。

注：重子是由三个夸克或三个反夸克组成的复合粒子，最常见的重子粒子有质子和中子。对CP对称不熟悉的读者可阅读《从原子到万物》。

重子的行为跟他们与之对应的反物质完全一样是跟一个叫CP对称的概念相关。如果能够观测到任何CP对称破坏的证据，就暗示着支配物质和反物质的物理定律或许不一样。

宇宙学家预言在创世之初应该产生等量的物质和反物质，因此理解CP对称的破坏就可以帮助我们解开为什么会有更多的物质遗留下来，而不是一起湮灭化作能量。

粒子物理学的标准模型预言了重子的确会存在一点点的CP破坏。尽管CP破坏过程已经被研究了超过50年，但在重子粒子中并没有看到显著的效应。此外，标准模型描述的CP破坏不足够解释物质-反物质的不平衡。所以，必须存在其它CP破坏的来源，而LHCb的主要目标之一就是寻找CP破坏的新来源。

LHCb的新结果是基于分析LHC运作前三年收集的数据。在LHC中，两束质子会相互对撞并产生许多的短命粒子，在所有的产物中，科学家比较了重子Λb0和它对应的反物质Λb0-bar衰变后的行为，它们会衰变成质子（或反质子）和其它三个叫做介子的带电粒子。这个过程是非常罕见的，并且从来没有被观测到过。但LHCb探测到了6000个这样的衰变！

△ 费恩曼图：Λb0衰变成质子和三个介子。（图片来源：R. Aaij et al.）

LHCb的科学家比较了Λb0和Λb0-bar的四个衰变产物的角度分布，并且计算跟CP对称敏感的特定量。如果能够发现在物质和反物质间的这些量有任何显著的不同，或不对称，那就可能是CP破坏。

LHCb的数据的确发现了不同，而且结果的统计显著性达到了3.3个标准差（达到5的时候就可以说是发现了）。这是我们第一次看到物质和反物质重子表现的不一样。这个结果在1月30日发表在《自然物理》，很快会有更多的数据来确定其结果。如果这个CP破坏的初期证据再次出现在更大的数据样本里，那对于研究CP破坏将是重要的里程碑。

2. 每秒钟，都有数万亿的中微子穿过我们的身体。科学家虽然知道这个事实，但却不知道它们在宇宙的演化中扮演着什么样的角色，因为它们极难被探测到。现在，位于南极洲的冰立方中微子探测器有了新发现。

△ 位于南极的冰立方中微子天文台。（图片来源：IceCube Neutrino Observatory）

虽然标准模型获得了巨大的成功，但仍然有一些问题无法解释，比如暗物质的本质等。我们还不知道怎么填补标准模型的这片空白。但是中微子却给了我们一个绝妙的机会。在标准模型中，中微子是没有质量的。但科学家发现中微子其实是有质量的。这是唯一有确凿证据证明超越标准模型的现象。

△ 三种不同味道的中微子。（图片来源：Johan Jarnestad）

中微子共有三种“味道”，分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子，是自然界中的基本粒子之一。中微子是非常难以捉摸的粒子， 基本不与普通物质相互作用，因此被称为幽灵粒子。不像其它构成普通物质的基本粒子，比如电子和夸克，中微子是没有电荷的。它们的质量也要比其它粒子低的多。事实上，由于它们的质量太小了，科学家还无法准确的测量它们。

冰立方中微子天文台是深埋在南极冰层1.45公里下的中微子探测器。其优势在于冰可以隔绝其它的辐射和粒子，以免掩盖罕见的中微子与探测作用的事件。

在冰立方工作的物理学家DeYoung说：“作为物理学家，我们希望希格斯玻色子能够为我们指出超越标准模型的道路；不幸的是，我们对希格斯玻色子的研究并没有给出更多的线索。因此我们希望通过研究中微子能够找到些什么。冰立方要比其他的实验在更宽泛的能量值域和距离去寻找中微子。”

我们把具有确定质量的中微子看成是由三种味道的中微子按某种比例组合而成。一种中微子主要是由电子中微子组成，以及一点μ中微子和τ中微子；第二种中微子差不多是三种味道的平均混合；第三种则有点神秘，先前的研究认为可能主要是由μ中微子和τ中微子组成，只有一丁点的电子中微子。

△ 冰立方实验室，右下角显示了埃菲尔铁塔以作大小的比较。（图片来源：IceCube）

当宇宙射线进入地球大气层的时候会产生高能的中微子，在冰立方能够探测到这些粒子。在华盛顿召开的美国物理协会会议中，冰立方的科学家发表了他们的初步数据，结果表明这第三种质量种类是由等量的μ中微子和τ中微子组合而成。

Joshua Hignight表示：“中微子会在三种不同的味道之间改变，或者说振荡。所以，如果有一种中微子精确地等于另外两种味道的混合，这可能是一个令人惊喜的巧合，也可能是暗指着一个更深层的原因，或许是来自超越标准模型的物理。”

冰立方的物理学家将继续收集和分析更多的数据，以进一步确定这一结果。

注：中微子的质量是个很有意思的课题，我将在《万有理论》系列文章中更详细的讨论。

3. 去年，暗物质模型遭遇了前所未有的挑战。新的发现、新的理论模型、以及对暗物质的探测不断给出了零结果，使科学家不得不开始怀疑是否根本不存在暗物质。但是，来自银河系“晕”的X-射线再次透露了疑似暗物质的信号。

△ 钱德拉X-射线望远镜探测到了疑似暗物质衰变的信号。（图片来源：MSFC）

NASA的钱德拉X-射线天文台的最新数据显示（论文于1月29日发表在arXiv），在特定的能量上发现了过量的X-射线，在下图中可以明显的看到凸起部分。科学家一直怀疑这个X-射线“谱线”很可能就是暗物质。

△ 宇宙X-射线背景光谱，图中可以明显地看到在几个特定能量上的凸起。在能量3.5keV左右的信号疑似来自暗物质。（图片来源：N. Cappelluti et al.）

早前一直有不同的望远镜在研究X-射线谱线，但一些观测中并没有看到该谱线，比如“瞳”X-射线卫星。而最新的观测结果进一步加强了这个奇怪的特征是真实的，并且消除了一些可能的解释。

这个新的数据分析是来自望远镜对深空的观测，而不是对某一个星系团的分析。因此如果该信号指向暗物质，它很可能是由围绕着银河系区域（即银河系“晕”）的粒子导致的。在许多假设的暗物质中，有一个叫惰性中微子的候选，它们的衰变就会产生观测到的X-射线，能量大约为3500eV。

科学家发现该谱线的相对强度和之前在银河系中心观测到的，与理论预测暗物质在银河系不同部分的密度的变化一致。

当然，暗物质并不是唯一的解释。虽然这条谱线看起来是真实的，但科学家还不知道它是否真的是暗物质，或是一些原子物理。

尽管还是他们的结果可能只是统计上的巧合，但该结果消除了一些其他的解释。例如， 过去一些科学家认为这条谱线或许是硫离子从氢原子中捕获了一个电子产生的，但这个过程与新的数据不吻合。

这条谱线的重新出现已经足以让一些科学家感到兴奋了。

文/正恩/原理（principia1687）

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