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期待物理学新的“盛宴” |
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——发现三玻色子产生的新模式 |
一群“麦哲伦”式的实验物理学家正在高能物理的版图上开疆拓土。
而玻色子的发现，正在指向新的“盛宴”。
近日，《自然》杂志的研究亮点栏目报道了北京大学物理学院技术物理系冒亚军、李强领导的高能物理研究团队最新成果。研究团队首次观测到了双W玻色子与光子（WWγ）这一新型的三玻色子联合产生过程。该成果于3月20日发表于《物理评论快报》，并被选为编辑推荐。
“玻色子三重态的产生是一种罕见的事件，也是粒子物理标准模型的又一次成功，与模型预测的任何差异都可能暗示以前未知粒子的存在。” 《自然》杂志评价称。
是否存在，关乎标准模型
数十亿次“碰撞”，才获得了250次发现，这注定是一次艰难探索。
在粒子物理标准模型中，无质量的光子（γ）传播长程的电磁相互作用，而重质量的W和Z玻色子负责传播短程的弱相互作用。精确测量多玻色子特别是三玻色子联合产生过程，是目前高能对撞机物理领域的重要研究领域。
在基本粒子中，玻色子是一种“媒介”基本粒子。基本粒子之间存在4种基本的相互作用：引力、电磁力、强力和弱力，每种相互作用都是由某一种媒介粒子传递的，它们被称为玻色子。在标准模型里，W玻色子就是一种传递弱力的媒介粒子，这里的W就是weak（弱）的缩写。
1983年，W玻色子首次被欧洲核子研究组织发现，是粒子物理标准模型的一大胜利，后来被证明主要参与一些最常见的核衰变过程。
然而，W玻色子的质量很重，约是质子的85倍，实验上通常很难被发现，也因此，只有通过大型强子对撞机这样的高能量装置才有可能“撞”出一个，要想“撞”出3个难如海底捞针。经过40多年的发展，关于玻色子的研究不断拓展。在标准模型中，理论已预言了三玻色子的联合产生机制。
“如果这个机制未经验证，可能意味着标准模型存在某些问题，这也可能暗示着新物理现象的存在，这正是粒子物理学前沿想要深入探究的一个方向。”北京大学物理学院博士生关喆告诉《中国科学报》，验证三玻色子的存在，及其与标准模型的关系非常重要。
数十亿次碰撞
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，有“上帝粒子”之称的希格斯粒子、新强子态“奇异的五夸克”等均在此被发现。它的数据牵动着全球物理学家的心。
过去许多年，李强团队紧密追踪着大型强子对撞机紧凑缪子线圈探测器，在广袤数据“沙漠”里寻找若隐若现的“宝藏”。
终于，在2016年至2018年间所收集的数十亿次13TeV质子—质子对撞数据中，以5.6倍标准偏差的统计置信度，首次观测到了双W玻色子与光子（WWγ）这一新型的玻色子三重态产生过程。
李强解释，5.6倍标准偏差是与假设不存在三玻色子过程的情况（即空假设）相比，这也意味着数据支持三玻色子过程的存在。
三重玻色子是如何产生的？
大型强子对撞机上紧凑缪子线圈探测器详细记录了这一过程，当被加速到接近光速的高能量质子束迎头相撞时，就会产生三重玻色子。当两个质子碰撞时，质子中的夸克和胶子被强迫分开，当发生这种情况时，W玻色子和Z玻色子就会突然出现，而在非常罕见的情况下，它们会以三重态的形式出现。
有多“罕见”？这一事件发生的概率仅为发现希格斯玻色子（希格斯粒子之一）的50分之一。
探险，期待“新的盛宴”
过程如此艰难又如此罕见，科学家为何要执着碰撞更多的玻色子？
“more is different”，李强引用诺贝尔物理学奖的主菲利普·沃伦·安德森的著名宣言回答道，越是基本物质，同样更要越多样，才有更多发现“宝藏”的可能。
《自然》杂志评价称，“玻色子三重态的产生也是粒子物理标准模型的又一次成功，与模型预测的任何差异都可能暗示以前未知粒子的存在。”
“宝藏”便蕴含在差异中。
标准模型是粒子物理学中一套描述基本粒子的理论模型。目前，几乎所有对电磁力、强力和弱力三种力的实验结果都合乎这套理论的预测。它虽然是目前最为成功的一套理论模型，但宇宙中仍然有许多标准模型解释不了的问题，这意味着它并不是“终极”理论，而与模型预测的任何差异都可能暗示未知粒子的存在。
数十年来，全球高能物理界既视粒子物理标准模型为珍宝，也视其为挑战——有时，科学家们想舍弃它，寻找超出标准模型预言的“新”物理现象。
“新”标准模型是否存在？茫茫大海上，无数航海家“千帆竞发”，但驶向不同的方向。
李强是其中之一位航海家，但他的航线是少人去的偏远之地——玻色子——目前国际少数团队从事的相关研究。自2010年以来长期，他和北京大学高能物理实验组的同事们致力于高能对撞机上的多玻色子物理研究，取得了大量有开创性贡献的成果。
2022年，他们在世界上首次实现了三W玻色子共振态的寻找，此项研究开拓了新物理寻找的新航线。
他有着探险精神，就像几百年前，人们对于地球的形状充满疑问，需要通过航海来验证一样。李强坦诚，高能物理确实处在比较艰难的时期，“人迹罕至的地方探险，虽有着未知，代表着挑战，但也代表着新发现的可能性。”
李强期待，玻色子，也许能给高能物理带来新的“盛宴”。
相关论文信息：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.121901
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00764-8
大型强子对撞机（LHC）上用于观察三个基本粒子（WWγ）联合产生的 CMS 探测器。图片来源: David Parker/SPL
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