期待物理學新的“盛宴”

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一群“麥哲倫”式的實驗物理學家正在高能物理的版圖上開疆拓土。

而玻色子的發現，正在指向新的“盛宴”。

近日，《自然》雜志的研究亮點欄目報道了北京大學物理學院技術物理系冒亞軍、李強領導的高能物理研究團隊最新成果。研究團隊首次觀測到了雙W玻色子與光子（WWγ）這一新型的三玻色子聯合產生過程。該成果于3月20日發表于《物理評論快報》，并被選為編輯推薦。

“玻色子三重態的產生是一種罕見的事件，也是粒子物理標準模型的又一次成功，與模型預測的任何差異都可能暗示以前未知粒子的存在。” 《自然》雜志評價稱。

是否存在，關乎標準模型

數十億次“碰撞”，才獲得了250次發現，這注定是一次艱難探索。

在粒子物理標準模型中，無質量的光子（γ）傳播長程的電磁相互作用，而重質量的W和Z玻色子負責傳播短程的弱相互作用。精確測量多玻色子特別是三玻色子聯合產生過程，是目前高能對撞機物理領域的重要研究領域。

在基本粒子中，玻色子是一種“媒介”基本粒子。基本粒子之間存在4種基本的相互作用：引力、電磁力、強力和弱力，每種相互作用都是由某一種媒介粒子傳遞的，它們被稱為玻色子。在標準模型里，W玻色子就是一種傳遞弱力的媒介粒子，這里的W就是weak（弱）的縮寫。

1983年，W玻色子首次被歐洲核子研究組織發現，是粒子物理標準模型的一大勝利，后來被證明主要參與一些最常見的核衰變過程。

然而，W玻色子的質量很重，約是質子的85倍，實驗上通常很難被發現，也因此，只有通過大型強子對撞機這樣的高能量裝置才有可能“撞”出一個，要想“撞”出3個難如海底撈針。經過40多年的發展，關于玻色子的研究不斷拓展。在標準模型中，理論已預言了三玻色子的聯合產生機制。

“如果這個機制未經驗證，可能意味著標準模型存在某些問題，這也可能暗示著新物理現象的存在，這正是粒子物理學前沿想要深入探究的一個方向。”北京大學物理學院博士生關喆告訴《中國科學報》，驗證三玻色子的存在，及其與標準模型的關系非常重要。

 數十億次碰撞

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，有“上帝粒子”之稱的希格斯粒子、新強子態“奇異的五夸克”等均在此被發現。它的數據牽動著全球物理學家的心。

過去許多年，李強團隊緊密追蹤著大型強子對撞機緊湊繆子線圈探測器，在廣袤數據“沙漠”里尋找若隱若現的“寶藏”。

終于，在2016年至2018年間所收集的數十億次13TeV質子—質子對撞數據中，以5.6倍標準偏差的統計置信度，首次觀測到了雙W玻色子與光子（WWγ）這一新型的玻色子三重態產生過程。

李強解釋，5.6倍標準偏差是與假設不存在三玻色子過程的情況（即空假設）相比，這也意味著數據支持三玻色子過程的存在。

三重玻色子是如何產生的？

大型強子對撞機上緊湊繆子線圈探測器詳細記錄了這一過程，當被加速到接近光速的高能量質子束迎頭相撞時，就會產生三重玻色子。當兩個質子碰撞時，質子中的夸克和膠子被強迫分開，當發生這種情況時，W玻色子和Z玻色子就會突然出現，而在非常罕見的情況下，它們會以三重態的形式出現。

有多“罕見”？這一事件發生的概率僅為發現希格斯玻色子（希格斯粒子之一）的50分之一。

 探險，期待“新的盛宴”

過程如此艱難又如此罕見，科學家為何要執著碰撞更多的玻色子？

“more is different”，李強引用諾貝爾物理學獎的主菲利普·沃倫·安德森的著名宣言回答道，越是基本物質，同樣更要越多樣，才有更多發現“寶藏”的可能。

《自然》雜志評價稱，“玻色子三重態的產生也是粒子物理標準模型的又一次成功，與模型預測的任何差異都可能暗示以前未知粒子的存在。”

“寶藏”便蘊含在差異中。

標準模型是粒子物理學中一套描述基本粒子的理論模型。目前，幾乎所有對電磁力、強力和弱力三種力的實驗結果都合乎這套理論的預測。它雖然是目前最為成功的一套理論模型，但宇宙中仍然有許多標準模型解釋不了的問題，這意味著它并不是“終極”理論，而與模型預測的任何差異都可能暗示未知粒子的存在。

數十年來，全球高能物理界既視粒子物理標準模型為珍寶，也視其為挑戰——有時，科學家們想舍棄它，尋找超出標準模型預言的“新”物理現象。

“新”標準模型是否存在？茫茫大海上，無數航海家“千帆競發”，但駛向不同的方向。

李強是其中之一位航海家，但他的航線是少人去的偏遠之地——玻色子——目前國際少數團隊從事的相關研究。自2010年以來長期，他和北京大學高能物理實驗組的同事們致力于高能對撞機上的多玻色子物理研究，取得了大量有開創性貢獻的成果。

2022年，他們在世界上首次實現了三W玻色子共振態的尋找，此項研究開拓了新物理尋找的新航線。

他有著探險精神，就像幾百年前，人們對于地球的形狀充滿疑問，需要通過航海來驗證一樣。李強坦誠，高能物理確實處在比較艱難的時期，“人跡罕至的地方探險，雖有著未知，代表著挑戰，但也代表著新發現的可能性。”

李強期待，玻色子，也許能給高能物理帶來新的“盛宴”。

相關論文信息：   

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.121901

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00764-8