物理学家们深知，他们对基本力与粒子所构建的“标准模型”理论描述虽优雅却不完整，因为它无法解释诸多现象，例如暗物质的存在。然而，观测结果却持续以更高的精度证实着标准模型的准确性。即便是一些曾看似打破常规的测量，例如W玻色子质量的差异，在进一步研究后也已消弭。
如今，欧洲核子研究中心（CERN）位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）上的一项实验分析表明，一个偏离标准模型的实验结果的证据正在增强。这项发现涉及B介子衰变为其他粒子的过程。该结果已被《物理评论快报》（Physical Review Letters）接受发表，是粒子物理学家们在质子-质子碰撞将能量转化为物质的碎片中寻找新物理的少数几个剩余异常之一。
《自然》杂志深入探讨了CERN LHCb实验的最新发现，以及可能解释这些现象的奇特重粒子。
实验发现了什么？
LHCb实验并非直接寻找新的重粒子，而是探究它们产生的微妙效应，包括它们作为“虚粒子”短暂出现并影响粒子衰变的情况。为了寻找这些效应，研究人员分析了粒子从衰变中出现的频率和角度，以检查它们是否与标准模型预测的相符。这项新分析着眼于B介子（由底夸克和另一个较轻夸克组成）衰变为含有奇异夸克的介子（称为K介子）以及两个μ子（电子的重表亲）的过程。他们发现，最终产物从衰变中出现的角度与标准模型的预测不符。自2015年以来，这一异常的证据一直在增长。
这如何指向新物理？
物理学家认为，这种B介子衰变——被称为“企鹅衰变”——对尚未发现的物理学特别敏感。（英国理论家约翰·埃利斯于1977年创造了这个术语，因为衰变图示与企鹅相似，此前他输掉了一个赌注，被迫在他的下一篇论文中包含这个词）。这种衰变涉及一个量子环路，其中底夸克通过暂时转变为“虚”粒子而变成奇异夸克，这些虚粒子会瞬间出现和消失。量子物理学允许即使是重型、非标准模型的粒子也能短暂进入这个环路，并使最终产物具有仅由已知粒子无法解释的特性。
由于这种衰变极为罕见——大约一百万个B介子中只有一个会以这种方式衰变——新粒子的影响应该比其他更常见的衰变更容易被发现，在后者中，信号可能会被淹没。
我们应该感到兴奋吗？
这项分析包含了LHC在2011年至2018年两次运行期间累积的约6500亿次衰变数据。测量到的粒子出射角度与标准模型之间的差异，其显著性约为4西格玛。这意味着，由常规标准模型过程产生的随机噪声造成这种信号的可能性约为16000分之一，爱丁堡大学的LHCb粒子物理学家威廉·巴特（William Barter）表示。巴特称：“这是LHC近几年最重要的成果之一。”尤其令人兴奋的是，这一发现似乎得到了另一个LHC实验——紧凑μ子螺线管（CMS）的初步证实，尽管其统计显著性较低，但CMS也观察到了这种B介子衰变中的差异。
但他补充说，兴奋之情有所克制，因为涉及粲夸克的竞争性衰变可以产生与底夸克到奇异夸克跃迁相同的产物，而且理论家很难精确预测这些“迷人的企鹅”将如何影响最终衰变产物的角度。理论表明，这种衰变不太可能完全解释与标准模型的偏差，但它的存在提供了谨慎的余地。
如果信号是真实的，什么新粒子可以解释它？
一种可能解释这种差异的粒子是Z'玻色子，它可能作为虚粒子参与了B介子在底夸克到奇异夸克跃迁中的分解。物理学家们提出，这种粒子——它将与一种新的、尚未发现的力相关联——将类似于Z玻色子，后者是介导弱核力的两种粒子之一，参与放射性衰变。但剑桥大学理论物理学家本·艾伦纳赫（Ben Allanach）表示，Z'玻色子会更重，并且倾向于与某些粒子家族相互作用。他补充说，Z'玻色子将介导一种区分不同“味”粒子的力。这一理论还可以帮助解释标准模型中粒子质量为何如此迥异。
另一种可能性是轻夸克的存在，这是一种短寿命粒子，在较高能量下，它被认为具有轻子和夸克两种粒子家族的特性。巴特表示，轻夸克提供了底夸克可以转变为奇异夸克的另一种方式，并且也可能导致观察到的衰变角度。
还有哪些异常可能挑战标准模型？
目前没有其他异常了。长期以来，B介子衰变为电子和μ子方式的意外差异在2022年随着更多数据的出现而消失。2024年，LHC的物理学家们也平息了费米实验室对撞机探测器（CDF）在两年前观察到的一个明显异常的希望。几十年来，物理学家们还曾怀疑μ子在磁场中奇怪的行为是否能用新物理来解释，但2023年修正的预测表明可能没有差异需要解释。
LHC的实验还观察到其结果与标准模型之间的其他张力——在与B介子衰变和希格斯玻色子（与赋予万物质量的场相关的粒子）相关的发现中。但艾伦纳赫表示，它们都比最新的结果不那么显著。
我们何时能了解更多？
LHCb的物理学家们尚未分析自2018年以来在对撞机上积累的大量企鹅衰变数据。巴特表示，由于初步分析已经完成，这项工作现在会更快，但最早也要等到明年才能公布新结果。艾伦纳赫补充说，如果Z'玻色子存在且不太重，其他LHC实验可能能够直接观测到它的衰变，尤其是在2030年计划升级的高强度机器投入使用后。