人类对微观世界的探索,一直在往更小的尺度推进,从分子、原子到原子核,再到构成万物的夸克,我们把物质拆解到了目前已能触及的极限。
而描述这种极小粒子物理机制的理论,我们有一套强大的理论框架:标准模型。
它把已知的基本粒子和它们的相互作用描述得极其精准,半个世纪以来几乎没出过差错。
但标准模型绝不是我们探寻宇宙万物的终极理论。
暗物质是什么?为什么宇宙中正物质远多于反物质?
这些核心问题标准模型都无法解释。
所以物理学家们一直在试图寻求新物理,以来突破标注模型的桎梏。
而在比质子还要小数百万倍的泽普米(10⁻²¹米)尺度里,物理学家普遍相信,那里应该藏着全新的粒子和自然规律,这片未知的极微观世界,被称为泽普宇宙。
最近,物理学家似乎触摸到了这个极微观的世界,相关研究于26年10月30日已被发表在预印本平台。
探寻微观世界,对撞机是我们探寻的利器,
但想直接撞出泽普宇宙这么小尺度的粒子,需要的能量远超当前大型强子对撞机(LHC)的能力上限。
不过物理学家想出了一条巧妙的间接路径:不用亲眼看见新粒子,只要精准观测已知粒子的衰变过程,就能捕捉到新粒子留下的微弱痕迹。
在这次的研究中,科学家就是靠着升级后的探测器,首次在单个实验中找到了B⁰介子衰变为双μ子的罕见证据,同时刷新了B_s介子同类衰变的测量精度。
这种衰变的主角是B介子,它的核心是一个底夸克——一种比普通物质里的上、下夸克重得多的夸克,它只能在对撞机的高速碰撞中短暂生成,寿命只有万亿分之一秒,刚出现就会衰变成更轻的粒子。
在标准模型的规则里,夸克不能凭空变换种类。
底夸克想变成更轻的下夸克或奇异夸克,同时释放出一对正反μ子(可以理解成加重版的电子,性质稳定容易探测),这条直路是被严格禁止的。
它只能通过极其微弱的量子涨落,借助虚粒子间接完成。
这就导致对应的衰变概率极低,低到每十亿甚至百亿个粒子里才会发生一次。
而恰恰是这份罕见,让它为成了探测新物理的高精度探针。
如果泽普宇宙里真的存在未被发现的新粒子,比如更重的新规范玻色子、轻子夸克等,它们就会悄悄参与到量子过程中,暗中改变衰变发生的概率,甚至改变粒子衰变前的平均存活时长。
因此物理学家不用直接撞出这些新粒子,只要把衰变概率和寿命测得足够准,看它和标准模型的计算值是否吻合,就能反推有没有未知粒子在施加影响。
这种间接探测的灵敏度可以触及100万亿电子伏特的能量尺度,这正好对应泽普米的空间范围,这就相当于用现有对撞机的能量,探索了数倍深度的微观世界。
其实科学家寻找B⁰介子的这个衰变,已经持续了四十多年。
早在1984年,美国的CLEO实验就第一次给出了它的概率上限,之后一代代实验不断提升精度,却始终没能拿到单个实验的确凿证据。
这次能取得突破,核心支撑是LHCb实验的升级改造。
2024年LHC进入第三轮运行,LHCb完成第一代升级,瞬时对撞亮度提升至原来的五倍,数据采集能力大幅增强。
升级的核心之一,是包围对撞区域的硅像素顶点探测器。
它能以微米级精度,精准定位粒子的产生点与衰变点,B介子寿命极短,只会飞行极短距离就衰变,这个微小的位移,正是区分信号与背景的关键依据。
同时实验将原有的硬件触发换成全软件触发,筛选事例更灵活,大幅提升了信号收集效率。
μ子鉴别系统也完成了升级,能更精准地区分μ子与其他强子,有效压低了误判带来的背景干扰。
本次分析使用了2024至2025年间收集的、对应积分亮度18 fb⁻¹的对撞数据。
研究团队借助机器学习算法对事例分级筛选,再通过拟合μ子对的不变质量,从多层背景中提取出了有效信号。
最终的测量结果印证了技术升级的价值:对于研究多年的B_s介子衰变,这次给出了迄今为止单实验最精确的衰变概率--约十亿分之三点三,与标准模型预测高度吻合。
团队还同步精确测量了该衰变的有效寿命,结果同样符合理论预期。
更具标志性的是B⁰衰变的信号:本次单独使用第三轮数据分析,观测到的信号统计显著性达到3倍标准偏差,意味着信号来自随机统计涨落的概率仅约千分之一。
结合LHCb前两轮运行的数据后,整体显著性提升至3.2倍标准偏差,达到了粒子物理领域的证据级标准。
这是人类首次在单个实验中观测到该衰变的证据,填补了四十多年的研究空白。
同时研究团队还计算了两种衰变的概率比值。
这个比值在理论上受实验误差干扰更小,能更纯粹地检验标准模型的味结构,测量结果同样与理论预测相符。
有人或许会问:结果和标准模型一致,是不是意味着没有新物理?
恰恰相反。
每一次精度的提升,都是在给新物理的存在范围划定边界,它排除了一大批会显著改变衰变概率的新物理模型,缩小了未来的搜索范围。
目前的精度尚且有限,即便新粒子真的存在,只要质量足够大,对衰变概率的影响就会极其微弱,只有更精准的测量才能捕捉到细微偏差。
当下的结果只是探索的起点。
第三轮对撞还将持续多年,未来的高亮度LHC会将数据量再提升一个量级,规划中的后续升级甚至能让数据采集速度再快十倍。
届时测量精度会不断提高,泽普宇宙的面纱也将被一点点掀开。
从四十多年前只能给出粗略上限,到如今捕捉到百亿分之一的稀有信号,这条探索之路也是人类探测技术不断进步的缩影。
我们建造更大的加速器、研发更精密的探测器、设计更巧妙的分析方法,本质上都是为了向自然的更深处多看一眼。
这一次标准模型再次经受住了检验,但物理学家清楚,它的边界一定就在前方,每一次更精准的测量,都是在向那个边界靠近一步。
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