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(xué)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(diǎn)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(xué)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(xué)術(shù)地震的前兆。

"當(dāng)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(fèi)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(yán)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(xué)確認(rèn)，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(xué)家的理想世界里，強(qiáng)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(xué)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(diǎn)不同外，在強(qiáng)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(qiáng)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(lán)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(dá)到了4.7σ的顯著性水平！

對于不懂物理的人來說，這就相當(dāng)于你認(rèn)為自己買彩票中獎的機(jī)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(xué)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(xué)家的噩夢：當(dāng)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(xué)家Francesco Giacosa一臉嚴(yán)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(yán)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(qiáng)相互作用不遵守味對稱性——如果是這樣，那么物理學(xué)家對量子色動力學(xué)(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(xué)家喝一壺的。

現(xiàn)在，一群理論物理學(xué)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(xué)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(qiáng)子產(chǎn)生的特性，當(dāng)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(xué)的天花板。

這種情況在科學(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)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(jìn)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(bǔ)我們對強(qiáng)相互作用認(rèn)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(xué)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(xué)家們正在準(zhǔn)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(dāng)宇宙給科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)與其他人類知識體系的根本區(qū)別，科學(xué)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(xué)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