粒子物理學(xué)停滯不前的噩夢(mèng)該怎樣打破？

除非歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能帶來驚喜，否則粒子物理可能會(huì)無奈地走到盡頭。

編譯 | 葉凌遠(yuǎn)

超環(huán)面儀器（ATLAS）是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的四個(gè)主要探測(cè)器之一，已經(jīng)針對(duì)新一輪的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了升級(jí)。圖片來源：MAXIMILIEN BRICE/CERN

十年前，粒子物理學(xué)家讓整個(gè)世界為之振奮。歐洲核子研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界最大的粒子加速器。2012年7月4日，在這里工作的6000多名研究人員宣布，他們發(fā)現(xiàn)了希格斯（Higgs）玻色子的蹤跡。這是一種質(zhì)量極高、壽命極短的粒子，是解釋其他基本粒子如何獲得它們質(zhì)量的關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了一個(gè)當(dāng)時(shí)已具有48年歷史的理論預(yù)言，完善了一個(gè)被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的物理理論，并將物理學(xué)家們推到了聚光燈下。

希格斯粒子的存在性最早由Peter Higgs于1964年提出。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，物理學(xué)家們——包括Higgs本人，都不清楚這一假設(shè)背后的物理意義。但隨著時(shí)間的推移，人們逐漸意識(shí)到希格斯玻色子在粒子物理中所扮演的重要角色。它是標(biāo)準(zhǔn)模型所缺失的最后一塊拼圖，該粒子（或更準(zhǔn)確地說激發(fā)該粒子的希格斯場(chǎng)）是所有粒子存在質(zhì)量的原因。質(zhì)量并不如人們?cè)瓉硭O(shè)想的那般為粒子的內(nèi)在稟賦；相反，它是粒子們與彌散在整個(gè)宇宙中的希格斯場(chǎng)相互作用的結(jié)果。物理學(xué)家們幾十年前就已相信這一理論，但直到2012年它才真正被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)一個(gè)不朽的成就：它標(biāo)志著長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的探索之旅告一段落，也開啟了研究這種極其特殊的粒子的新時(shí)代。但緊接著，這一領(lǐng)域便陷入了狂歡后漫長(zhǎng)的宿醉。早在這27公里長(zhǎng)的環(huán)形大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)于2010年開始正式采集數(shù)據(jù)之前，物理學(xué)家們便擔(dān)心它或許只能產(chǎn)生希格斯粒子，而無法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型之外可能存在的新物理留下任何線索。目前，這噩夢(mèng)般的情形正一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?！斑@有些令人失望，”加州理工學(xué)院的物理學(xué)家Barry Barish說道，“我以為我們會(huì)發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱（supersymmetry）?！边@是擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型的一種主流物理理論。

不過許多物理學(xué)家表示，現(xiàn)在就絕望還為時(shí)過早。經(jīng)過三年的升級(jí)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正卯足了勁，準(zhǔn)備進(jìn)行計(jì)劃中五輪實(shí)驗(yàn)里的第三輪。它每秒會(huì)產(chǎn)生數(shù)十億次的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞，新粒子便可能誕生于其中。人工智能的發(fā)展也帶來了新的機(jī)遇——若在十年前，大部分物理學(xué)家可能會(huì)對(duì)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析數(shù)據(jù)的想法嗤之以鼻。但在許多更為年輕的研究員以及工業(yè)界合作伙伴的幫助下，一個(gè)專門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已搭建完畢，它能幫助物理學(xué)家們?cè)诤Ａ康臄?shù)據(jù)中搜索值得進(jìn)一步研究的現(xiàn)象。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)還會(huì)再運(yùn)行16年，且隨著進(jìn)一步升級(jí)，它收集的數(shù)據(jù)量將達(dá)到已經(jīng)收集數(shù)據(jù)的16倍。所有這些數(shù)據(jù)都可能蘊(yùn)含著新粒子和新物理的微妙蹤跡。

然而，一些研究學(xué)者也認(rèn)為對(duì)撞物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)時(shí)乖運(yùn)蹇、日暮窮途了。芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家Juan Collar在一些小型實(shí)驗(yàn)中尋找暗物質(zhì)的蹤跡：“如果他們?nèi)詻]有任何發(fā)現(xiàn)，整個(gè)領(lǐng)域便會(huì)沉寂消亡?！眰惗貒?guó)王學(xué)院的理論物理學(xué)家John Ellis則表示，在這一領(lǐng)域取得突破的希望已經(jīng)被漫長(zhǎng)且不確定的探索前景所磨碎，最終的失敗會(huì)像拔牙一樣突然且痛苦，不會(huì)只如牙齒自然掉落一般無聲無息。

自上個(gè)世紀(jì)70年代以來，物理學(xué)家就一直在與粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型角力。依照該模型，普通物質(zhì)由被稱為上夸克和下夸克的輕質(zhì)量粒子——它們每三個(gè)結(jié)合在一起，形成質(zhì)子和中子——以及電子和幾乎沒有質(zhì)量、被稱為電子中微子的粒子構(gòu)成。兩組更重的粒子則一直潛伏在真空內(nèi)，僅僅會(huì)在粒子碰撞所產(chǎn)生的沖擊中稍縱即逝地顯現(xiàn)。所有的粒子都通過交換其他粒子的形式相互作用：光子傳遞電磁力，膠子傳遞把夸克捆綁在一起的強(qiáng)相互作用力，而大質(zhì)量的W和Z玻色子則傳遞弱相互作用力。

標(biāo)準(zhǔn)模型描述了科學(xué)家們迄今為止在粒子對(duì)撞機(jī)中所觀察到的一切現(xiàn)象。然而，它不可能是有關(guān)自然界的終極理論。它無法描述引力，也并不包括神秘的、不可見的暗物質(zhì)。在宇宙中，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的質(zhì)量比可能約為6：1。標(biāo)準(zhǔn)模型中囊括了中微子，但人們?nèi)圆荒転槠錁O低的質(zhì)量提供解釋；顯然普通物質(zhì)也由標(biāo)準(zhǔn)模型描述，但人們同樣不知道其如何在宇宙大爆炸后勝過反物質(zhì)，占據(jù)了主導(dǎo)地位。圍繞希格斯玻色子本身也還有很多謎團(tuán)亟待解決。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)本應(yīng)打破這一僵局。在它的環(huán)形結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)朝相反方向循環(huán)的質(zhì)子撞在一起，產(chǎn)生其他地方無法獲得的重型粒子，這其中的能量達(dá)到了以往任何對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的七倍還多。十年前，許多物理學(xué)家都設(shè)想能在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中迅速發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，包括新的傳遞相互作用的介質(zhì)粒子甚至是迷你黑洞。德國(guó)DESY實(shí)驗(yàn)室粒子物理學(xué)主任Beate Heinemann回憶，人們以為會(huì)被淹沒在產(chǎn)生的超對(duì)稱粒子中。物理學(xué)家們那時(shí)普遍認(rèn)為，找到希格斯粒子可能會(huì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

但沒有預(yù)料到的是，僅在短短3年內(nèi)，希格斯粒子便被迅速地發(fā)現(xiàn)了。部分原因是它的質(zhì)量比許多物理學(xué)家預(yù)期的要小，大約僅為質(zhì)子的133倍。若其質(zhì)量超過了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的能量上限，或其與其他粒子的相互作用較弱，我們根本就沒有發(fā)現(xiàn)它的希望。Higgs本人就曾表示，他從未預(yù)想過能在他有生之年發(fā)現(xiàn)希格斯粒子存在的證據(jù)，這無疑是粒子物理學(xué)中里程碑式的結(jié)果。但在這之后的10年，物理學(xué)家們還沒有發(fā)現(xiàn)其他任何新粒子。

新現(xiàn)象的貧瘠挑戰(zhàn)著物理學(xué)家們所珍視的幾個(gè)原理。自然性（naturalness）原則指的是在一個(gè)理論中，物理常數(shù)構(gòu)成的無量綱比值應(yīng)該與1同階。據(jù)此，希格斯粒子質(zhì)量較低或多或少地保證了在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的能量范圍內(nèi)還存在著新的未知粒子。根據(jù)量子力學(xué)的原則，任何游蕩在真空中的虛粒子都會(huì)與真實(shí)的粒子相互作用并影響其性質(zhì)——這正是虛希格斯玻色子賦予其他粒子質(zhì)量的方式。希格斯粒子的質(zhì)量本應(yīng)被真空中其他的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子大幅拉高，特別是頂夸克，然而事實(shí)并不如此。因此理論學(xué)者推斷，至少還有一種具有類似質(zhì)量和恰到好處的物理特性——特別是不同自旋——的新粒子存在于真空中，以“自然地”抵消頂夸克所產(chǎn)生的影響。

超對(duì)稱理論能夠提供這種粒子存在的依據(jù)：對(duì)于每個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，它都假設(shè)存在一個(gè)具有不同自旋且質(zhì)量更重的伙伴粒子。這些伙伴粒子不僅可以保證希格斯粒子的質(zhì)量不過高，同時(shí)還能幫助解釋希格斯場(chǎng)是如何產(chǎn)生的。

但是在過去的十年，人們僅僅發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)之間的微小差異，而這些反?，F(xiàn)象并不指向人們所希望存在的新粒子。例如在2017年，利用底夸克探測(cè)器（LHCb，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)四個(gè)主要粒子探測(cè)器之一）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)們家發(fā)現(xiàn)，B介子（一個(gè)包含重質(zhì)量底夸克的粒子）有更大概率衰變?yōu)殡娮雍驼娮?，而不是衰變?yōu)棣套雍头处套印勒諛?biāo)準(zhǔn)模型，這兩個(gè)概率應(yīng)該是一樣的。類似的，也有實(shí)驗(yàn)表明μ介子的磁性可能比標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的稍強(qiáng)一些。

希格斯粒子本身也提供了其他的探索方向。2020年8月，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊μ子線圈（CMS）探測(cè)器工作的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布，他們都發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子衰變?yōu)棣套雍头处套訉?duì)的現(xiàn)象。費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家Marcela Carena表明，如果這種罕見的衰變具有與理論預(yù)測(cè)值不同的速率，這種偏差就可能預(yù)示著隱藏在真空中的新粒子。

物理學(xué)家們將在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)下一次為期三年的實(shí)驗(yàn)中對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行探索。然而，這些探索可能不會(huì)導(dǎo)致戲劇性的“尤里卡！”時(shí)刻。Heinemann說：“現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)正朝著以極高精度測(cè)量微妙現(xiàn)象的方向轉(zhuǎn)變。”不過，Carena表示，“我非常懷疑在20年后，我會(huì)說，‘哦，孩子，在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)之后，我們什么新東西也沒有學(xué)到?！?/p>

若把希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)過程看作登上一座山，則當(dāng)Higgs最早提出他的理論時(shí)，我們甚至不知道這山脈到底在哪里，或者它可能有多高——粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型甚至都并不完整。人們只是模糊地意識(shí)到，在一座山峰的某個(gè)地方存在著希格斯粒子，它能真正證實(shí)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)的存在。到20世紀(jì)90年代末，我們才對(duì)這座山的高度有一點(diǎn)感覺；直到2012年，我們才最終登上了這座山峰。

但現(xiàn)在不同了，我們得從這座山的另一邊下去，穿過荒蕪的平原。這平原向前延伸著，也許一直觸碰到普朗克尺度（宇宙中空間的最小尺度）。如果我們現(xiàn)在的預(yù)測(cè)是正確的，在平原的某處一定還有其他山脈，標(biāo)志著物理學(xué)的又一高峰?；蛟S我們能發(fā)現(xiàn)新的粒子，如輕夸克（leptoquarks，它可能是解釋前文提到的有關(guān)B介子和μ介子反?，F(xiàn)象的關(guān)鍵），甚至是超對(duì)稱粒子或暗物質(zhì)粒子；也許我們能解開有關(guān)希格斯粒子更多的謎團(tuán)——希格斯粒子本身是一個(gè)基本粒子還是復(fù)合粒子？它能與暗物質(zhì)相互作用嗎？如果能，我們能通過它了解有關(guān)暗物質(zhì)更多的信息嗎？希格斯場(chǎng)是否通過自作用賦予希格斯粒子自身的質(zhì)量？許多科學(xué)家對(duì)我們能解決這些問題持樂觀的態(tài)度（盡管聽起來有些像在畫餅）。但至少，沒有任何明確的跡象表明，我們必須穿越多遠(yuǎn)的平原才能看到這些新的山脈——這就是我們現(xiàn)在的處境和過去幾十年之間的區(qū)別。

其他人對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)者們的機(jī)遇則沒有那么樂觀。明尼蘇達(dá)大學(xué)雙子城分校的物理學(xué)家Marvin Marshak就認(rèn)為：“他們面對(duì)的是一片沙漠，而他們并不知道這片沙漠有多廣茂?！睘榱私鉀Q上述這些問題，我們很可能需要大量制造希格斯粒子的能力，而這種能力是現(xiàn)在、甚至二十年之后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所無法具備的。歐洲核子研究中心正在籌劃下一個(gè)能量更高的對(duì)撞機(jī)——未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（Future Circular Collider），作為以后的“希格斯工廠”。但即便是樂觀主義者也認(rèn)為，如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)沒有發(fā)現(xiàn)任何新的東西，那么將更難說服世界各國(guó)政府建造下一個(gè)更大、更昂貴的對(duì)撞機(jī)來保持這一領(lǐng)域的發(fā)展。

現(xiàn)如今，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的許多物理學(xué)家們只是為能夠繼續(xù)回到質(zhì)子對(duì)撞的工作中而感到興奮。在過去的三年里，科學(xué)家們已經(jīng)升級(jí)了探測(cè)器，并重新設(shè)計(jì)了對(duì)撞機(jī)的低能加速器部分。歐洲核子研究中心加速器和粒子束主任Mike Lamont說：現(xiàn)在，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)應(yīng)該會(huì)有更穩(wěn)定的碰撞率，能有效地將數(shù)據(jù)量增加50%之多。幾個(gè)月來，加速器的物理學(xué)家們一直在緩慢地調(diào)整大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的粒子束。在粒子束流足夠穩(wěn)定后，他們會(huì)打開探測(cè)器，恢復(fù)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行新一輪的實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)在黑暗的平原上邁進(jìn)。

參考資料

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6538.113

[2] https://www.scientificamerican.com/article/how-the-higgs-boson-ruined-peter-higgss-life/

[3] https://www.scientificamerican.com/article/10-years-after-the-higgs-physicists-are-optimistic-for-more-discoveries/

[4] https://home.cern/news/press-release/physics/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery

出品：科普中國(guó)

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