我們在歐洲核子研究組織（CERN）的日內瓦總部進行的大型強子對撞機（LHC）上的研究，近期發現的結果顯示，我們可能正接近發現未知物理學的跡象。
如果這些跡象得到證實，將會推翻主導粒子物理學界五十年的理論，即「標準模型」。這些發現表明，特定次原子粒子在大型強子對撞機中的行為方式與標準模型不符。
基本粒子是物質最基本的組成單元——無法再分割成更小單位的次原子粒子。四種基本力——重力、電磁力、弱作用力及強作用力——支配著這些粒子如何相互作用。
大型強子對撞機是一個巨大的粒子加速器，建於法瑞邊境地下一個長達27公里的環形隧道中。其主要目的是尋找標準模型中的裂縫。
該理論是我們對基本粒子和力的最佳理解，但我們知道它並非故事的全部。它無法解釋重力或暗物質——一種看不見、迄今未被測量的物質，約佔宇宙的25%。
在大型強子對撞機中，讓質子粒子束朝相反方向加速碰撞，以期揭示未知物理學的線索。新結果來自LHCb實驗，該實驗分析了這些碰撞。
結果來自對一種稱為B介子的次原子粒子衰變（一種轉變）的研究。我們調查了B介子如何衰變成其他粒子，發現其衰變方式與標準模型的預測不符。
標準模型建立在20世紀兩項最具變革性的物理學進展之上：量子力學和愛因斯坦的狹義相對論。
物理學家可以將在大型強子對撞機等設施上進行的測量與基於標準模型的預測進行比較，以嚴格測試該理論。
儘管我們知道標準模型是不完整的，但在超過五十年的日益嚴格的測試中，粒子物理學家尚未找到該理論的裂縫。或許，直到現在。
我們的測量結果已被接受發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，顯示出與標準模型預期存在四個標準差的張力。
從現實世界的角度來看，這意味著，在考慮了實驗結果和理論預測的不確定性後，如果標準模型是正確的，數據出現如此極端隨機波動的機率僅為一萬六千分之一。
雖然這距離科學的黃金標準——即所謂的「五西格瑪」或五個標準差（約一百七十萬分之一的機率）——還有差距，但證據正開始累積。獨立的LHC實驗CMS在2025年初發表的結果，也為這個引人注目的敘事增添了力量。
儘管CMS的結果不如LHCb精確，但它們吻合良好，加強了論點。我們的新結果是在對一種稱為「電弱企鵝衰變」的特定過程研究中發現的。
「企鵝」一詞指的是一種特定的短壽命粒子衰變（轉變）類型。在此案例中，我們研究B介子如何衰變成四種其他次原子粒子——一個K介子、一個π介子和兩個μ子。
憑藉一些想像力，可以將涉及的粒子排列可視為看起來像一隻企鵝。關鍵是，對這種衰變的測量使我們能夠研究一種基本粒子，即底夸克，如何轉變成另一種粒子，即奇異夸克。
這種企鵝衰變在標準模型中極為罕見：每百萬個B介子中，只有一個會以這種方式衰變。我們仔細分析了這些粒子在衰變中產生的角度和能量，並精確確定了該過程發生的頻率。我們發現，我們對這些量的測量與標準模型的預測不符。
對此類衰變的精確研究是LHCb實驗的主要目標之一，自1994年成立以來一直如此。企鵝過程對可能非常重的、無法在LHC上直接產生的新粒子的影響極為敏感。
這些粒子仍然可能對這些衰變產生可測量的影響，儘管標準模型的貢獻很小。這種間接觀測並非新鮮事。例如，放射性在發現其負責的基本粒子（W玻色子）之前80年就被發現了。
我們對罕見過程的研究使我們能夠探索自然界中可能僅在2070年代計劃的粒子對撞機上才能接觸到的部分。有廣泛的潛在新理論可以解釋我們的發現。許多理論包含稱為「輕子夸克」的新粒子，它們統一了兩種不同類型的物質：「輕子」和「夸克」。
其他潛在理論包含標準模型中已發現粒子的更重類似物。新結果限制了這些模型的形式，並將指導未來對它們的搜尋。
儘管我們感到興奮，但仍然存在懸而未決的理論問題，阻止我們明確聲稱已觀察到標準模型以外的物理學。最嚴重的問題來自所謂的「魅惑企鵝」，這是一組標準模型中存在的過程，其貢獻極難預測。近期對這些魅惑企鵝的估計表明，它們的影響不足以解釋我們的數據。
此外，理論模型與LHCb的實驗數據結合表明，魅惑企鵝（因此，標準模型）難以解釋異常結果。
已收集的新數據將使我們在未來幾年內確認情況：在我們目前的工作中，我們研究了2011年至2018年間記錄的約6500億個B介子衰變，以尋找這些企鵝衰變。自那以來，LHCb實驗已記錄了三倍數量的B介子。
計劃在2030年代進行進一步的改進，以利用大型強子對撞機的未來升級，並再累積15倍的數據集。這個最終步驟將允許做出明確的聲明，可能解鎖對宇宙在最基本層面上如何運作的新理解。
