2016年5月31日

新物理的曙光-大質量的雙光子共振態

作者/蔣正偉(美國卡內基美隆大學物理博士,現任國立中央大學特聘教授、中央研究院合聘研究員、國家理論科學中心科學家。)

在2015年的10月號中,我寫了一篇文章,關於大型強子對撞機(LHC)的超導環場探測器(ATLAS)和緊緻緲子螺管偵測器(CMS)實驗組共同發佈的一項基於8 TeV質子對撞的實驗結果。從WW、WZ和ZZ的雙波色子衰變模式數據中,顯示在2 TeV能量﹝註一﹞附近似乎存在一個新的共振態。這個結果一度讓高能物理界興奮不已,因為一旦證實,這將會是超越粒子物理標準理論的第一個訊號。於是,許多理論學家紛紛撰文,試圖提出可能的模型來解釋,並做出其他可驗證的預測。但是在年底的時候,兩個實驗組進行了更多的分析,特別是加入13 TeV質子對撞(LHC Run-II)的實驗數據,證實之前所看到的信號只是統計上的隨機漲落,而非真信號。

新共振態的發表
然而,但就如同那句著名的諺語:「當上帝關上一扇門,就會為你打開一扇窗。」ATLAS和CMS實驗組在同時也發表另一個可能的新共振態。這個共振態的發現是透過它的雙光子衰變模式,而從運動學的分析得知它的質量大約是750 GeV,相當於已發現的希格斯粒子質量的6倍左右﹝註二﹞。他們同樣都在這個質量發現了局部重要性(local significance)為3個標準差上下的信號。倘若考慮另尋他處的效應(look-elsewhere effect),重要性則都降至1.5以下。

「論文共振態」
當實驗組發表他們的結果之後,理論學家比上回更加熱絡地發表文章,提出各式各樣可能的模型,來解釋這個共振態的「真實身份」,它主要的產生機制、可能的衰變模式,以及是否能夠符合已知的物理現象和新粒子搜尋結果。截至今年5月初,已經有超過300篇的論文發布在網路上,盛況超過之前2 TeV的事件,也在高能現象學的論文庫(http://arxiv.org)造成了一個「共振態」。為此,比利時魯汶大學一名物理學者甚至為文,定量地比較這次的「論文共振現象」和以前其他類似的短暫「追救護車(ambulance chasing)」風潮。

很自然地,有許多人懷疑這次會不會像上次2 TeV的共振態一樣,又單純是統計上的隨機漲落,讓人空興奮一場。這種擔心不是沒來由的。除了2 TeV的例子以外,粒子物理的歷史上不乏3 個標準差左右的信號最終卻消失的事件。然而,在略微增加實驗資料量,及改進分析方法之後,兩個實驗組在今年3月的Moriond 會議上,又再度公佈了750 GeV共振態的結果,並且些許提高了信號重要性。雖然局部重要性仍沒有超過4 個標準差,全域重要性才2個標準差左右,卻讓許多理論學家對再次確認的實驗結果更加樂觀與興奮。相較之下,實驗學家的態度,卻是審慎而保守,特別在對外公佈官方數據的時候。

更值得信賴的資料
這次實驗的雙光子衰變模式,比起2 TeV的雙波色子衰變模式來得「乾淨」,能夠在LHC的環境中較好地被偵測器偵測到,而且光子的能量也可以更精確地校正新物理的曙光-大質量的雙光子共振態與量測。相比之下,雙波色子衰變的偵測,有賴於W和Z波色子的強子噴射流(hadronic jet)衰變,其中的實驗重建複雜度與不確定性都是比較高的。或許就是因為上述的原因,這次有更多的理論學家願意發文討論雙光子的共振態。

從它的雙光子衰變模式,我們得知這個750 GeV 共振態一定是個玻色子(自旋角動量為整數),而其自旋可能是0或者是3註三﹞,ATLAS 實驗組的資料顯示它的總衰變強度大約45 GeV,而CMS 的結果則偏好小於1 GeV。即便沒有定論,在理論計算上,都算得上是窄衰變頻寬。以上大致是我們在有限的實驗數據下,對這個新共振態的初步了解。

通往新物理的大門
如上所述,根據這些極其有限的資訊,許多理論學家提出了各式各樣的模型試圖解釋。可是,一個共通點就是,這些模型都牽涉到更多新粒子的引入。部份原因是要增加750 GeV 共振態在LHC的產生率,或它衰變到兩個高能量光子的機率。雖然過去我們提出了一些較具有理論動機的模型,諸如超對稱模型(supersymmetric model)、雙希格斯二重態模型(two Higgs-doublet model)、小希格斯模型(little Higgs model)、合成希格斯模型(composite Higgs model)等等,但是都無法在不引進其他非典型模型原有粒子的情況下,解釋實驗所看到的現象。加上過去許多新物理的現象發生又消逝,所以有些理論學家對750 GeV 共振態的發現並不抱持樂觀的態度。從另一角度來看,正因為750 GeV 共振態極可能牽涉到非預期的新粒子,所以部分的人懷著滿心的期待,希望透過未來更多實驗數據的支持,確認它的存在,並且間接地告訴我們更多其他的新粒子。在此意味上,750 GeV 共振態會是我們通往新物理的一個大門。

卡司塔維奇(Davide Castelvecchi)和吉布尼(Elizabeth Gibney)在Nature的一篇文章引述:「在6月以前,或最晚8月,CMS 和ATLAS 應該就已經累積足夠數據,讓可能的統計漲落消失,或證實是一個新發現。」

根據不同的模型,這個透過雙光子衰變模式的750 GeV 共振態可能是另一個較重的希格斯粒子、一個合成束縛態、一個自旋為2的帶質量重力子等。無論如何,期待這個共振態不久就被確定,並為粒子物理學帶來新的曙光。

【註1】
依據愛因斯坦的狹義相對論,質量與能量可以依據E=mc2互換。所以在高能物理界,一般習慣都將質量用能量單位來計算。

【註2】
物理學中用希臘字母γ(gamma)來代表光子,在此實驗中的雙光子英文稱作diphoton或digamma。巧的是古希臘字母中,正好有一個digamma,符號大寫是 Ϝ,小寫是ϝ。而它也被用於代表數字6,恰為雙光子共振態對希格斯粒子質量的倍數。

【註3】
蘭道–楊(Landau-Yang)定理告訴我們,自旋為1、具有質量的粒子不可能衰變成兩個質量為0 的粒子。此外,我們一般也不太討論更高自旋的粒子。


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