無心插柳柳成蔭，還是說柳樹撞倒了愛因斯坦？

前不久，一位名叫Wojciech Brylinski的小伙子在CERN的NA61/SHINE實驗室分析數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一個讓所有理論物理學家都坐立不安的怪事：在氬-鈧碰撞中，帶電K介子比中性K介子多出了18.4%！

這個數(shù)字聽起來可能不那么震撼，但在精確到小數(shù)點后十幾位的物理世界里，這簡直就是一個"老虎來了"的驚天大新聞！

這就好比你去銀行取錢，預(yù)期賬戶里有10000元，結(jié)果銀行告訴你有11840元。一般人可能會暗自竊喜，但如果你是個會計師，你會立刻意識到：有人要倒大霉了。

在物理學界，這種意外的"額外收入"不是驚喜，而是一場即將爆發(fā)的學術(shù)地震的前兆。

"當Wojciech開始研究時，我們以為這不過是個驗證對稱性的無聊任務(wù)，"時任NA61/SHINE發(fā)言人的Marek Ga?dzicki說道。

翻譯一下：我們以為他在浪費時間做無用功，結(jié)果他捅了個馬蜂窩。

"我們期望這種對稱性會被嚴格遵守——盡管我們之前在NA49實驗中也測量過這類差異，但那些數(shù)據(jù)不確定性很大，不夠顯著。"

換句話說，他們預(yù)期看到的是一場平淡無奇的科學確認，結(jié)果卻目睹了一場足以撼動物理基礎(chǔ)的理論叛變。

夸克不守規(guī)矩了？

在物理學家的理想世界里，強相互作用應(yīng)該對所有夸克一視同仁，不管它們是上味、下味還是奇味，這就像是物理學版的平等主義。

而所謂的"同位旋對稱性"則是這種平等的一個表現(xiàn)，理論上說，上、下夸克除了質(zhì)量和電荷有點不同外，在強作用下應(yīng)該是一對親兄弟。

這種對稱性暗示，在重離子碰撞中，強相互作用應(yīng)該產(chǎn)生幾乎相等數(shù)量的帶電K介子（由上夸克和奇反夸克或上反夸克和奇夸克組成）和中性K介子（由下夸克和奇反夸克或下反夸克和奇夸克組成），因為上、下夸克的質(zhì)量非常接近。

這就像是說，無論你是用紅筆還是藍筆寫字，只要筆的質(zhì)量一樣，寫出來的字應(yīng)該長得差不多。

但現(xiàn)在，這對兄弟倆鬧掰了，而且差距大得離譜——達到了4.7σ的顯著性水平！

對于不懂物理的人來說，這就相當于你認為自己買彩票中獎的機會是零，結(jié)果你真的中了大獎，而且連續(xù)中了好幾次！

這種統(tǒng)計顯著性讓物理學家們無法再假裝這只是個偶然的測量誤差或者實驗噪音，這是實實在在的信號，而且它在喊："愚蠢的人類，你們的理論有問題！"

理論物理學家的噩夢：當數(shù)據(jù)拒絕配合理論

"我看到兩種解釋這個結(jié)果的方式，"理論物理學家Francesco Giacosa一臉嚴肅地說，同時可能在思考自己多年研究工作的意義是否將被這個新發(fā)現(xiàn)顛覆。

第一種可能性：我們嚴重低估了電磁相互作用在創(chuàng)建夸克-反夸克對中的作用。

第二種可能性：強相互作用不遵守味對稱性——如果是這樣，那么物理學家對量子色動力學(QCD)的理解就要推倒重來了。

說人話？要么是我們的計算錯了，要么就是基礎(chǔ)物理理論有問題。

但不管哪種情況，都夠物理學家喝一壺的。

現(xiàn)在，一群理論物理學家正在辦公室里緊張地修改他們的方程式，同時祈禱自己的學術(shù)生涯不會因此而終結(jié)。

有趣的是，這個發(fā)現(xiàn)完全是個意外收獲。

NA61/SHINE實驗室本來只是在研究強子產(chǎn)生的特性，當粒子束從CERN的超級質(zhì)子同步加速器射出并撞擊各種固定的核靶時會發(fā)生什么。

這些數(shù)據(jù)還被分享給T2K等中微子和宇宙射線實驗，幫助它們完善模型。

結(jié)果不小心捅破了物理學的天花板。

這種情況在科學史上并不少見，從倫琴意外發(fā)現(xiàn)X射線，到弗萊明無意中發(fā)現(xiàn)青霉素。人類的一些最重大科學突破往往來自于意外發(fā)現(xiàn)。

但這一次，意外的不是什么新粒子或新力，而是我們對已知粒子的基本理解可能存在根本性錯誤。

現(xiàn)在，這個合作組計劃進行更多研究，看看這種效應(yīng)是特定于某些重離子碰撞的特例，還是高能相互作用的普遍特征。

他們甚至向理論物理學家發(fā)出了求救信號，希望有人能解釋為什么會出現(xiàn)如此大的不對稱性。

"我們試圖將數(shù)據(jù)塞進現(xiàn)有的模型里，但根本行不通——簡直不可能，"Giacosa無奈地說，可能暗地里已經(jīng)在考慮是否應(yīng)該轉(zhuǎn)行做別的研究了。"我們需要更多的實驗數(shù)據(jù)和理論預(yù)測來填補我們對強相互作用認知上的空白。所以真正的問題是：接下來該怎么辦？"

而在幕后，無數(shù)物理學家正在熬夜加班，重新檢查他們的計算，調(diào)整他們的模型，希望能找到這個粒子世界不對稱性的源頭。

同時，實驗物理學家們正在準備更多的對撞實驗，用不同的粒子，不同的能量，希望能復(fù)現(xiàn)這個現(xiàn)象，或者找到更多的線索。

當宇宙給科學家開玩笑：物理理論的尷尬時刻

說到底，這個發(fā)現(xiàn)提醒我們，無論科學發(fā)展到什么程度，自然總有辦法讓我們保持謙卑。就在物理學家以為他們已經(jīng)基本理解了夸克的行為規(guī)律時，這些微小的基本粒子似乎在對他們說："想得美！"

這也是科學與其他人類知識體系的根本區(qū)別，科學歡迎被證偽，即使這意味著要推翻多年的理論基礎(chǔ)。

在科學的世界里，沒有永恒的真理，只有越來越接近真理的模型。

而每一次意外發(fā)現(xiàn)，每一個異常數(shù)據(jù)，都可能是通往更深層次理解的鑰匙。

【參考來源】:《高能原子核碰撞中同位旋對稱性破缺的證據(jù)》，arXiv (2023)。DOI: 10.48550/arxiv.2312.06572