粒子物理規則快打破了？

世界各地的物理實驗接連發現，電子和緲子這類輕子與其他粒子產生的交互作用並不相當，這意味著可能有新粒子與新作用力。

撰文／克里維林（Andreas Crivellin）

翻譯／高涌泉

打破規則是令人興奮的，尤其是那些維持已久的規則；這不僅在人生事務上成立，在粒子物理學上也是如此。我現在設想的這條可能出錯的粒子規則，是所謂的「輕子風味普適性」（lepton flavor universality）。這條規則是粒子物理標準模型的一項預測，而標準模型描述了所有已知基本粒子與它們的交互作用（除了重力）。自從數十年前標準模型提出至今，所有粒子似乎都遵循這條規則。

但是在2004年，情況似乎開始改變。當時位於美國長島的布魯克海文國家實驗室所進行的E821實驗，宣佈了關於緲子（muon）的一項性質g因子的測量，結果竟然和標準模型的預測不相符。緲子比電子重，在基本粒子中，兩者屬同一類。這一類粒子稱為輕子，除了緲子與電子，還包括τ粒子，以及三個世代的微中子。「輕子風味普適性」這條規則是由於電子與緲子都是帶電的輕子，它們和其他粒子產生的交互作用也應該相同（除了和希格斯粒子有關的一點小差異）。如果不是相同，它們就違反了「輕子風味普適性」，而這正是意外的g因子測量結果所暗示。

如果粒子真的打破了這條規則，這是非常令人興奮的事，除了這件事本身的價值，也因為物理學家相信標準模型不可能是大自然的最終理論。標準模型無法解釋微中子何以有質量、不能說明主宰宇宙且看不見的暗物質是什麼、也不能解釋在早期宇宙何以物質比反物質多。因此標準模型一定只是一種近似的描述，必須增補新粒子與新交互作用。物理學家已經提出一大堆這種擴展標準模型的理論，但其中只能有一個是正確，而且截至目前為止，任何一項理論都沒有直接獲得證實。一旦出現一項違背標準模型的測量，它將是指引科學家走向目標的一束光。

巧合之旅

E821實驗以及發現緲子的神秘行為這些事，都發生在我進入粒子物理學這一行之前。我大約在十年前開始參與「輕子風味普適性」違逆的相關研究，那時我在瑞士伯恩從事博士後研究，受邀出席一場規劃「超級B對撞機」（SuperB）的會議，此粒子對撞機預定建造於義大利羅馬附近的杜維嘉。這場會議是在第勒尼安海上美麗的義大利厄爾巴島上舉行，厄爾巴島雖然美麗，卻不容易前往。由於我臨時接到通知，便急忙買了前往比薩的火車票，然而我錯過了會議接駁巴士，好在有兩位會議籌備人員讓我搭便車到厄爾巴。這趟便車真是好巧。

我們一邊駛過美麗的風景，一邊聊物理。同行的一位科學家是實驗學家庖隆尼（Eugenio Paoloni），他問我對於美國加州BaBar實驗的看法，此實驗針對B介子衰變進行新測量，這項結果指向「輕子風味普適性」出錯了。B介子是包含了一個美夸克（beauty quark，即底夸克）的粒子，也是一些物理學家喜歡研究的粒子，因為它們有幾種衰變模式，有潛力揭露新的物理秘密。我沒有聽說過BaBar實驗的結果，或許是因為在那時候，此事還沒有吸引太多注意。但是我很快就想出一種可能的解釋：在已知的希格斯玻色子之外，還另有一個新的希格斯玻色子，這樣就可能產生BaBar實驗看到的現象。我對於「輕子風味普適性」違逆這個題材的興趣也油然而生。

餘下的會議沒有什麼特殊亮點。第一天過後，會議焦點就放在如何發展超級B對撞機上。身為理論學家，對於實驗學家所講的事，我一句也聽不懂。所以我就好好欣賞厄爾巴島，並著手把我的新希格斯玻色子想法寫成論文，這篇論文在我回到伯恩之後很快就寫完。論文後來發表了，但是超級B對撞機的計畫不幸取消，而我的同事對於這篇論文的反應，講好聽一點，也不熱烈：「一年之後，不需要用新物理來解釋任何事！」是一種典型反應，意思是這項測量結果可能只是統計上的偶然，數據多了之後，這個異常就會消失。

由於BaBar實驗的結果發表之後，有好一陣子並未出現什麼相關新結果，所以事情就平靜下來。但是到了2013年，歐洲核子研究組織（CERN）大強子對撞機（LHC）的LHCb實驗團隊，發現一個稱為「P5'」（讀做p5 prime）的量與標準模型的預測有差異；P5'這個頗複雜的量與B介子如何衰變有關。表面上，這個量和「輕子風味普適性」無關，我最初並未覺得這項發現很有趣。但是一年後，我改變了想法，因為LHCb分析了一個稱為RK的比值，這個值可以呈現「輕子風味普適性」違逆的大小，實驗結果不符合標準模型的預期，卻與P5'的發現一致，這種情況表示緲子內可能有新現象發生。

又過了一陣子，故事有了轉折，又是在會議場合。會議地點又是在義大利，位在阿爾卑斯山上迷人的拉特烏伊萊（La Thuile）鎮，鄰近白朗峰。在一次滑雪活動之後的下午討論場合裡，剛好發生日偏食，同樣也令人驚奇的是，LHCb的科學家宣佈一項結果，他們取得更多數據證實了之前P5'的測量，同時我的理論合作夥伴馬帝阿斯（Joaquim Matias）與史特勞伯（David Straub）皆認同關於這些數據的解釋；他們兩人從未看法一致。在向演講者致謝之後，我對聽眾說：「今天我們見證了罕見的事：日偏食；不過馬帝阿斯與史特勞伯頭一回意見相同，卻是更罕見的事。」

自那以後，「輕子風味普適性」違逆的證據持續增加。輕子普適性是條老規則，而且已經很久沒有看到標準模型出差錯。如果打破了這條規則，宇宙中一定存在著我們還不知道的新粒子與新交互作用，這些粒子或許有助於解決我們這個時代最大的一些謎題。

粒子的基礎模型

為了完整了解「輕子風味普適性」的意義，以及它一旦發生違逆又意味著什麼，需要先回顧次原子尺度的物質組成要素，以及它們之間發生的交互作用，也就是說，必須知道什麼是標準模型。物質的組成要素稱為費米子（fermion），這個名稱取自偉大的物理學家費米（Enrico Fermi）。這些物質粒子可以分成三個世代，每一代除了具有不同質量，在其他方面都一樣。例如電子有和它類似、卻更重的粒子，稱為緲子與τ粒子，上夸克更重的親戚稱為魅夸克與頂夸克，下夸克的親戚則是奇夸克與美夸克。這些不同的粒子具有不同的風味，只有比較輕的風味才是穩定的粒子；它們是我們這個世界中普通物質的組成粒子（兩個上夸克與一個下夸克構成質子，兩個下夸克與一個上夸克構成中子）。

這些費米子之間有各式交互作用：弱交互作用、強交互作用與電磁交互作用（標準模型忽略重力，因為重力在次原子尺度極為微弱）。傳遞這些交互作用的粒子分別是：W玻色子與Z玻色子（弱交互作用）、膠子（強交互作用）與光子（電磁交互作用）。關鍵的是這些交互作用都不在意費米子屬於哪一代，唯一會區別粒子風味的是知名的希格斯玻色子：不同費米子的質量有差異，就源自於它們與希格斯玻色子的交互作用有區別。

這就是目前的理解。但如果輕子不具普適性，也就是說，存在著可以區別世代的新交互作用，那麼事情就有趣了。截至目前為止，有四種跡象顯示「輕子風味普適性」可能不對……

【欲閱讀更豐富內容，請參閱〈科學人〉2022年第250期12月號】