28GeV！是新粒子嗎？
2012年，當希格斯玻色子首次被發現時，人們興奮不已，它的發現發現完成了所謂的標準模型——我們目前在粒子層面理解自然的最佳理論（詳見：《已知最精確的科學理論是？》）。這一發現也因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。
最近，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的科學家再一次發現了一個耐人尋味的訊號，他們在資料中能量為28 GeV的地方檢測到了一個神祕的峰值。
粒子物理學家為此感到興奮，因為它預示著一種新的粒子。但是，他們的興奮中卻夾雜著焦慮。希格斯粒子證實了我們對物理現實的理解，然而與此不同的是，這種新粒子似乎對已有的理論模型構成了威脅。
這次新的結果已經作為ArXiv的預印本發表，雖然沒有經過同行評議，但這不是一個大問題，因為LHC合作專案有非常嚴格的內部審查程式，我們可以確信，當作者報告“4.2個標準差的顯著性”時，他們的計算結果是正確的。
這意味著，偶然——因為資料中的隨機噪聲，而非存在一個真實粒子——產生如此大的峰值的概率只有0.0013%，也就是一百萬分之十三，這個數字真的很小。因此，這似乎是一個真實事件，而不是隨機的噪音。儘管如此，我們還無法證實這一發現。
資料說明了什麼？
在LHC實驗中，科學家會加速質子（組成原子核的粒子）束，讓它們對撞在一起。通過監測已知粒子（如光子或電子）的不尋常堆積，來尋找新粒子的證據。之所以不直接探測像希格斯玻色子這樣“看不見的”重粒子，是因為這些粒子通常很不穩定，往往會分解（衰變）成更輕、更容易被探測到的粒子。因此，我們可以在實驗資料中尋找這些輕粒子，以確定它們是否是某種較重粒子衰變的結果。LHC通過這種技術發現了許多新的粒子，它們都符合標準模型。
這次新發現來自於CMS（緊湊μ子線圈）探測器的一項實驗，CMS記錄了大量的成對μ子（μ子與電子相似，但質量要大得多，是容易識別的粒子），然後分析這些μ子的能量和方向，並追問：如果這些成對的μ子來自於單個母粒子的衰變，那麼這個母粒子的質量是多少？
在大多數情況下，成對的μ子通常有著不同的來源——來自於兩個不同的事件，而不是單個粒子的衰變。在這種情況下，如果試圖計算母粒子的質量，會發現它分散在廣泛的能量範圍內，而不是像此次資料中那樣在28 GeV（或其他能量）處產生一個狹窄的峰值。
但是這次的實驗資料看起來確實有一個峰值。也許，你可以仔細看看下面這幅圖，然後自己做出判斷。這是一個真實的峰值，還是由於背景上（虛線曲線）點的隨機散射造成的統計波動？
○此次實驗的資料圖。| 圖片來源：CMS Collaboration
如果這是真實的，那就意味著確實存在一個大的母粒子，在衰變時發射μ子，實驗探測到的μ子對中的一些只來自於這個母粒子——而且之前從未見過能量為28 GeV的粒子。
這一切看起來相當有趣，但歷史告誡我們要小心。這樣顯著的結果在過去也曾出現過，但是在獲得更多資料後就銷聲匿跡了。例如，之前LHC宣佈他們在能量750GeV處發現了異常訊號，並認為這或許是一個自旋為0粒子。但或許是因為裝置故障、或是過分“熱情”的分析、又或者僅僅是運氣不好，之後訊號便消失了。
之所以出現錯誤，部分是由於統計學中所謂的“別處效應”（look elsewhere effect）：儘管只是觀察能量為28 GeV這一處，隨機噪聲產生一個峰值的概率只是一百萬分之十三，但是這樣的噪聲卻可能在影象上的其他地方，也許在29 GeV或16 GeV處產生一個峰值。如果分別單獨考慮，這些噪聲是隨機產生的概率也很小，但是，這些小概率之和卻並不那麼小（儘管事實上是非常小的數字）。這就意味著，峰值是由隨機噪聲產生的並非不可能。
還有一些令人困惑的方面。例如，當能量加倍時，在LHC的一輪執行中出現了能量尖峰，但是另一輪中並沒有。通常，當能量更高時，人們會預期任何新的現象也會隨之變得更大。這種能量峰值的時有時無或許是有原因的，但是就目前而言，這是一個令人不安的事實。
新的物理現實？
除了實驗結果的不確定，理論方面也更令人困惑。正如實驗粒子物理學家花時間尋找新的粒子一樣，理論物理學家花時間構想出新的、合理的粒子供實驗物理學家尋找：那些會填補標準模型缺失部分的粒子，那些解釋看不見的暗物質的粒子，或兩者兼而有之。但是沒有理論提出存在這種粒子。
例如，理論物理學家建議說，可能找到更輕版本的希格斯粒子，但這類物質不會衰變為μ子。人們也討論過輕的Z玻色子或重的光子，但是這些粒子會與電子相互作用，而電子很容易被探測到，如果是這種情況，我們應該早就發現了它們。潛在的新粒子與任何提議的粒子的性質都不匹配。
如果這種粒子真的存在，那麼它不僅超越標準模型，而且是以一種無人預料過的方式超越。
但是，替代方案將不會是任何已經提議過的擴充套件標準模型的候選方案：包括超對稱、額外維度和大統一理論。這些理論都預言了新的粒子，但沒有一種粒子具有在此次實驗中看到的粒子的性質（如果是真實粒子的話）。這將是一種從未有人提出過的、非常怪異的粒子。
幸運的是，另一個LHC實驗——ATLAS從實驗中獲得了相似的資料，這個團隊仍在分析他們的資料，並將在適當的時候報告。
悲觀的過往經驗會說，他們將報告零訊號，此次結果將加入眾多統計漲落的行列。然而，也許——僅僅是也許——他們真的會看到些什麼。那麼到時候，實驗物理學家和理論物理學家的生活會突然變得非常忙碌和有趣。
來源：原理
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