海方之

電子有兩個兄弟

電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個亞原子粒子，是由英國物理學家約瑟夫·湯姆孫在1897年通過觀測陰極射線在電場中的偏轉而發(fā)現(xiàn)的，而陰極射線就是由電子構成的?，F(xiàn)在，我們知道電子的行為服從古怪的量子理論。例如，電子等粒子可以跨越很遠的距離瞬間影響彼此，這就是所謂的量子糾纏現(xiàn)象。電子還可以從一個地方瞬間躍遷到另一個地方，而不經(jīng)過彼此之間的空間。

有趣的是，電子還有兩個兄弟。1936年，美國物理學家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種以前從未發(fā)現(xiàn)的粒子，它帶有負電，就像電子一樣，但在電場中偏轉的幅度比電子小，這意味著它的質量更大。隨后，它被命名為μ子，它具有跟電子一樣的性質，只不過質量大約是電子的207倍。而在1974年，美國斯坦福直線加速器中心的實驗人員發(fā)現(xiàn)了另一個電子的兄弟——τ子，其質量大約是電子的3400倍。

除了質量不同以外，電子、μ子和τ子的其他性質是相同的?，F(xiàn)在，物理學家習慣把電子、μ子和τ子統(tǒng)稱為帶電輕子，并認為它們都是同一種粒子的不同種“風味”，就像它們都是冰淇淋一樣，只不過風味不同。

電子家族的大謎團

電子、μ子和τ子看似“很和諧”，但關于它們，有一個大謎團尚待破解。

我們知道，弱核力是一種引發(fā)粒子衰變的基本作用力。而根據(jù)粒子物理學的標準模型（一種描述所有已知粒子和力的理論），弱核力作用在電子、μ子和τ子的效果是完全相同的，這就是所謂的輕子的普適性。具體地說，某些大質量的粒子如果能衰變出帶電輕子（以及與之對應的中性輕子）的話，那么衰變出電子、μ子和τ子的概率應該是完全相同的。這個現(xiàn)象在過去已經(jīng)被許多實驗所證實。

但在最近，物理學家發(fā)現(xiàn)了許多實驗結果違反了輕子的普適性。

位于歐洲的大型強子對撞機有一個叫做“大型強子對撞機底夸克實驗”的探測器，簡稱為LHCb。物理學家經(jīng)常用LHCb研究了B介子的衰變過程。B介子是一種由兩種夸克構成的復合粒子，它的衰變方式有很多，所以它自然地成為了物理學家的熱門研究對象。而在2014年，物理學家發(fā)現(xiàn)，B介子的某次衰變的產(chǎn)物中，衰變出的μ子的數(shù)量比衰變出的電子的數(shù)量少了25%，這違反了輕子的普適性。

當然，這可能只是實驗誤差導致的。但LHCb隨后又檢測到了2次類似的結果。此外，美國的國家加速器實驗室以及日本的高能加速器研究機構，也給出了類似的結果。

如果輕子的普適性真的不成立，那么這意味著什么呢？

未知粒子？復合粒子？

一個可能的解釋是，在衰變過程中，出現(xiàn)了一種未知的粒子，與衰變過程中的產(chǎn)物發(fā)生作用，導致了μ子的數(shù)量比電子少，但這種粒子轉瞬即逝，所以它還沒有被檢測到。

一些物理學家推測，這種未知的粒子可能是輕夸克——一種能在夸克和輕子之間架起一座橋梁的粒子，能使得夸克與輕子彼此轉換。如果輕夸克真的存在，那么它在B介子的衰變過程中，可能把更多的μ子轉化為了夸克，這樣就導致了μ子數(shù)量的減少。一些物理學家進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)輕夸克的存在正好能解釋為何μ子的數(shù)量比電子的少了25%。

事實上，輕夸克這個假想粒子是在幾十年前提出來的。而在2000年前后，物理學家還曾利用位于德國的強子-電子環(huán)加速器來尋找輕夸克，但最終卻一無所獲。但我們不應對此失去信心，畢竟這個加速器只能檢測到某個固定能量范圍內的粒子。

還有另一個解釋，是說電子、μ子和τ子可能不是基本粒子，而是復合粒子，它們分別是由更小的粒子以不同的方式組合而成的，使得在某些情況下，比如處于衰變的過程，它們的行為表現(xiàn)得不再相同。

另外，那些組合出電子、μ子和τ子的更小的粒子，也許還能組合出更多其他的帶電輕子，它們的質量會更大，更難以被發(fā)現(xiàn)。物理學家可能需要比大型強子對撞機更強大的機器，才能來檢驗這個推論。

不過，鑒于許多個實驗都表明，電子是體積為零的粒子，如果電子真的是復合粒子的話，那么可能意味著有一種極強的未知的力把構成電子的零件束縛在一起。這使得我們可能沒機會把電子拆卸開來。

總之，如果輕子的普適性真的不再成立，那么就表明會有全新的物理規(guī)律等待我們去發(fā)現(xiàn)，這可能會顛覆我們以前對微觀世界的認知。