5σ和3σ分別對(duì)應(yīng)于科學(xué)結(jié)論“發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象”和“找到了新現(xiàn)象存在的跡象”，是科學(xué)家們宣告新發(fā)現(xiàn)的重要依據(jù)。對(duì)于基礎(chǔ)性的重大發(fā)現(xiàn)，科學(xué)界極為嚴(yán)謹(jǐn)嚴(yán)苛，不光要求實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)顯著度達(dá)到5σ，還要能經(jīng)得起時(shí)間的檢驗(yàn)。

吳雨生

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系特任教授

2021年3月，歐洲核子研究中心(CERN)宣布，其大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)發(fā)現(xiàn)了四種全新的粒子，它們是四種不同的四夸克態(tài)。

迄今為止，LHC已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了共59種新強(qiáng)子，包括此次最新發(fā)現(xiàn)的四夸克態(tài)以及其他諸多粒子。那么，科學(xué)家們是如何確定他們發(fā)現(xiàn)了“新粒子”呢?

宣告新發(fā)現(xiàn)并不容易

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們創(chuàng)立了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，清楚地給出了組成世界的基本粒子的信息，包括它們的種類、質(zhì)量、電荷、自旋以及它們之間的相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型好比一個(gè)賓館套間的“手冊(cè)”，上面清楚詳細(xì)地說明了每一件物品的名稱、種類、數(shù)量、位置等，從而使客人能夠非常舒服地住在里面。

在過去的近半個(gè)世紀(jì)中，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的所有粒子，都能在標(biāo)準(zhǔn)模型中找到對(duì)應(yīng)的身份，并且其性質(zhì)也與“手冊(cè)”中的預(yù)測基本吻合。

“科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并拓展理論框架，一個(gè)核心的任務(wù)是去尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的但尚未發(fā)現(xiàn)的，以及超出該理論解釋范疇的新現(xiàn)象和新粒子。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系特任教授吳雨生告訴記者，這類新發(fā)現(xiàn)在人類一步一步揭開物質(zhì)世界根本規(guī)律的科學(xué)研究中至關(guān)重要。

這一點(diǎn)從上個(gè)世紀(jì)以來的諸多基礎(chǔ)科學(xué)突破中都能得到佐證：從1905年通過光電效應(yīng)證實(shí)光子的存在，到2012年發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言的所有基本粒子均被發(fā)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言下的基本粒子研究，也使得人類在探索宇宙本源和物質(zhì)本質(zhì)的路上越走越遠(yuǎn)：預(yù)測到反物質(zhì)的存在、發(fā)現(xiàn)中微子質(zhì)量并不是零、觀測到黑洞乃至探測到引力波等。“每次新發(fā)現(xiàn)都如同向靜謐深邃的潭水投入一塊石頭，激起圈圈漣漪，推進(jìn)一系列新科學(xué)、新技術(shù)的誕生。”吳雨生說。

“在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到底是否確鑿可信，一般用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的顯著程度來表征。顯著度表達(dá)為高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，即幾倍σ(西格瑪)。”吳雨生告訴記者，倍數(shù)越大則越可信。“如果顯著度為5σ，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為確鑿無疑，以假亂真的可能性甚至低于百萬分之一，而3σ顯著度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為可信，所對(duì)應(yīng)的存?zhèn)胃怕蕛H為千分之一。”吳雨生說。

吳雨生告訴記者，5σ和3σ分別對(duì)應(yīng)于科學(xué)結(jié)論“發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象”和“找到了新現(xiàn)象存在的跡象”，是科學(xué)家們宣告新發(fā)現(xiàn)的重要依據(jù)。對(duì)于基礎(chǔ)性的重大發(fā)現(xiàn)，科學(xué)界極為嚴(yán)謹(jǐn)嚴(yán)苛，不光要求實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)顯著度達(dá)到5σ，還要能經(jīng)得起時(shí)間的檢驗(yàn)。“另外，還要求有獨(dú)立進(jìn)行的其他實(shí)驗(yàn)去重復(fù)驗(yàn)證其結(jié)果。”吳雨生說。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)從未停止

“自從標(biāo)準(zhǔn)模型誕生以來，人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)就從未停止過。”吳雨生說，探索微觀世界的奧妙，就必須要有可靠的實(shí)驗(yàn)手段來觀測各類物理現(xiàn)象，這些實(shí)驗(yàn)手段需要能產(chǎn)生微觀粒子并進(jìn)行反應(yīng)，能記錄并分析反應(yīng)結(jié)果，從而與理論預(yù)言對(duì)比。“在不同方案、不同條件下進(jìn)行大量精密實(shí)驗(yàn)，可以全方位地檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型，并且有可能發(fā)現(xiàn)那些稀有的、模型內(nèi)和模型外的新現(xiàn)象。”他說。

粒子物理學(xué)輕子家族中最著名的粒子是電子，電子是物質(zhì)的關(guān)鍵組成部分。但電子并不是輕子家族唯一的成員，它有兩個(gè)更重的兄弟姐妹，μ子和τ輕子，它們一起被稱為三種輕子口味或“味道”。根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，這些兄弟姐妹之間唯一的區(qū)別應(yīng)該是質(zhì)量：μ子比電子重約200倍，而τ輕子比μ子重約17倍。

按照標(biāo)準(zhǔn)模型，每種味與一個(gè)W玻色子都可能有一樣的相互作用。“輕子的味道又稱‘代’，電子、μ子以及τ輕子，分屬標(biāo)準(zhǔn)模型中的三個(gè)不同代。人類的每一代之間可能會(huì)有‘代溝’，但在標(biāo)準(zhǔn)模型中，不同代的相應(yīng)輕子雖然胖瘦不一，即質(zhì)量不同，但它們都必須以相同的面貌參與微觀世界的各類聚會(huì)，即基本粒子的反應(yīng)過程，這就是輕子味普適性的預(yù)言。”吳雨生說。

“這是一個(gè)很奇妙的預(yù)言，許多物理學(xué)家希望尋找違背這個(gè)普適性的新現(xiàn)象，來探究超越標(biāo)準(zhǔn)模型理論存在的可能性。”吳雨生說，近期媒體報(bào)道的LHCb的一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作，就是專注于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)基本預(yù)言，即違背輕子普適性現(xiàn)象的可能跡象。“這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起了很多關(guān)注，但顯著度尚遠(yuǎn)不足以宣稱新發(fā)現(xiàn)，并有待時(shí)間的檢驗(yàn)，以及后面其他實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。”

“輕子味的普適性已經(jīng)被在不同的過程和能量范圍內(nèi)進(jìn)行了高精度的探索。盡管輕子味普適性原理已經(jīng)通過了最新的測試和檢驗(yàn)，但在發(fā)現(xiàn)的許多反常現(xiàn)象被明確探測之前，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)仍在繼續(xù)進(jìn)行。”吳雨生說。

加速器與對(duì)撞機(jī)聯(lián)手尋找謎底

新的基本粒子靠什么來尋找?答案是通過加速器和對(duì)撞機(jī)。

“簡單地說，加速器就是帶電粒子借由電場增加能量，通過具有能量的帶電粒子進(jìn)行科學(xué)研究，比如說去打靶或者進(jìn)行對(duì)撞。比如說我們家庭中的電視機(jī)就是一個(gè)最簡單的直線加速器。”吳雨生說，電子經(jīng)過電視機(jī)的加速就會(huì)得到一定的能量，能量單位叫做電子伏特。電場是用來加速帶電粒子的，也就是給它提供能量，增加速度。

加速器可以粗略地分成兩類：一類叫做直線加速器，一類是環(huán)形加速器。直線加速器就是粒子走直線，環(huán)形加速器就是粒子通過磁場一圈一圈都在里面運(yùn)轉(zhuǎn)。

“有了加速器，就可以用它進(jìn)行科學(xué)研究，用帶電粒子去打原子核或者對(duì)撞。”吳雨生說，粒子撞擊人眼是看不見的，因此需要用探測器，相當(dāng)于代替人眼來看對(duì)撞之后產(chǎn)生的粒子的種類、多少和特性。

對(duì)撞機(jī)也分兩類：一個(gè)是直線對(duì)撞機(jī)，粒子相向運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)對(duì)撞。另一個(gè)是環(huán)形對(duì)撞機(jī)，正負(fù)電子是相對(duì)而行，一圈一圈不停地加速，再進(jìn)行對(duì)撞。

“加速器既是一門物理科學(xué)，同時(shí)還是技術(shù)與工程，這是粒子加速器的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)。”吳雨生說。

上世紀(jì)60年代，世界上第一臺(tái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在意大利建成。其后在日內(nèi)瓦的歐洲核子中心(CERN)，建成世界上最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP。之后科學(xué)家將LEP拆除，在其隧道中建成了世界上最大的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LHC。

“因?yàn)槲覀円剿鞯奈镔|(zhì)最深層的尺寸越來越小，而探測的物質(zhì)層次越深，看的東西越小，就需要‘光線’的波長越小，能量就必須越大。因此對(duì)撞機(jī)的高能量是必然需求。”吳雨生說，世界上最大的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LHC也是能量最高的粒子加速器，它深埋在地下100米深、總長27千米(含環(huán)形隧道)的隧道內(nèi)。

“LHC體積巨大，能將粒子加速到接近光速，這正是強(qiáng)磁場使粒子圍繞加速環(huán)運(yùn)行的結(jié)果。其磁場強(qiáng)度非常大，因此如果擺在地面上，周邊很大范圍內(nèi)就不允許其他設(shè)施和人員存在。”吳雨生說，LHC深埋地下，也是為了排除其他干擾，獲得一個(gè)更純粹的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能量狀態(tài)可與宇宙大爆炸后不久的狀態(tài)相比。科學(xué)家利用質(zhì)子碰撞后的產(chǎn)物探索物理現(xiàn)象，例如，尋找到標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子，探索超對(duì)稱、額外維等超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理等。”吳雨生說。

事實(shí)上，在建造LHC的過程中，科學(xué)家已經(jīng)獲得了許多改善我們生活的科研成果。比如互聯(lián)網(wǎng)最初就是歐洲核子研究中心的科學(xué)家為了解決數(shù)據(jù)傳輸問題而發(fā)明的，其他譬如癌癥治療、摧毀核廢料以及幫助科學(xué)家研究氣候變化等的一些成果，也得益于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。(吳長鋒)