电子家族的大谜团

海方之

电子有两个兄弟

电子是人类发现的第一个亚原子粒子，是由英国物理学家约瑟夫·汤姆孙在1897年通过观测阴极射线在电场中的偏转而发现的，而阴极射线就是由电子构成的。现在，我们知道电子的行为服从古怪的量子理论。例如，电子等粒子可以跨越很远的距离瞬间影响彼此，这就是所谓的量子纠缠现象。电子还可以从一个地方瞬间跃迁到另一个地方，而不经过彼此之间的空间。

有趣的是，电子还有两个兄弟。1936年，美国物理学家在宇宙射线中发现了一种以前从未发现的粒子，它带有负电，就像电子一样，但在电场中偏转的幅度比电子小，这意味着它的质量更大。随后，它被命名为μ子，它具有跟电子一样的性质，只不过质量大约是电子的207倍。而在1974年，美国斯坦福直线加速器中心的实验人员发现了另一个电子的兄弟——τ子，其质量大约是电子的3400倍。

除了质量不同以外，电子、μ子和τ子的其他性质是相同的。现在，物理学家习惯把电子、μ子和τ子统称为带电轻子，并认为它们都是同一种粒子的不同种“风味”，就像它们都是冰淇淋一样，只不过风味不同。

电子家族的大谜团

电子、μ子和τ子看似“很和谐”，但关于它们，有一个大謎团尚待破解。

我们知道，弱核力是一种引发粒子衰变的基本作用力。而根据粒子物理学的标准模型（一种描述所有已知粒子和力的理论），弱核力作用在电子、μ子和τ子的效果是完全相同的，这就是所谓的轻子的普适性。具体地说，某些大质量的粒子如果能衰变出带电轻子（以及与之对应的中性轻子）的话，那么衰变出电子、μ子和τ子的概率应该是完全相同的。这个现象在过去已经被许多实验所证实。

但在最近，物理学家发现了许多实验结果违反了轻子的普适性。

位于欧洲的大型强子对撞机有一个叫做“大型强子对撞机底夸克实验”的探测器，简称为LHCb。物理学家经常用LHCb研究了B介子的衰变过程。B介子是一种由两种夸克构成的复合粒子，它的衰变方式有很多，所以它自然地成为了物理学家的热门研究对象。而在2014年，物理学家发现，B介子的某次衰变的产物中，衰变出的μ子的数量比衰变出的电子的数量少了25%，这违反了轻子的普适性。

当然，这可能只是实验误差导致的。但LHCb随后又检测到了2次类似的结果。此外，美国的国家加速器实验室以及日本的高能加速器研究机构，也给出了类似的结果。

如果轻子的普适性真的不成立，那么这意味着什么呢？

未知粒子？复合粒子？

一个可能的解释是，在衰变过程中，出现了一种未知的粒子，与衰变过程中的产物发生作用，导致了μ子的数量比电子少，但这种粒子转瞬即逝，所以它还没有被检测到。

一些物理学家推测，这种未知的粒子可能是轻夸克——一种能在夸克和轻子之间架起一座桥梁的粒子，能使得夸克与轻子彼此转换。如果轻夸克真的存在，那么它在B介子的衰变过程中，可能把更多的μ子转化为了夸克，这样就导致了μ子数量的减少。一些物理学家进行了理论计算，发现轻夸克的存在正好能解释为何μ子的数量比电子的少了25%。

事实上，轻夸克这个假想粒子是在几十年前提出来的。而在2000年前后，物理学家还曾利用位于德国的强子-电子环加速器来寻找轻夸克，但最终却一无所获。但我们不应对此失去信心，毕竟这个加速器只能检测到某个固定能量范围内的粒子。

还有另一个解释，是说电子、μ子和τ子可能不是基本粒子，而是复合粒子，它们分别是由更小的粒子以不同的方式组合而成的，使得在某些情况下，比如处于衰变的过程，它们的行为表现得不再相同。

另外，那些组合出电子、μ子和τ子的更小的粒子，也许还能组合出更多其他的带电轻子，它们的质量会更大，更难以被发现。物理学家可能需要比大型强子对撞机更强大的机器，才能来检验这个推论。

不过，鉴于许多个实验都表明，电子是体积为零的粒子，如果电子真的是复合粒子的话，那么可能意味着有一种极强的未知的力把构成电子的零件束缚在一起。这使得我们可能没机会把电子拆卸开来。

总之，如果轻子的普适性真的不再成立，那么就表明会有全新的物理规律等待我们去发现，这可能会颠覆我们以前对微观世界的认知。