粒子物理學停滯不前的噩夢該怎樣打破？

除非歐洲大型強子對撞機能帶來驚喜，否則粒子物理可能會無奈地走到盡頭。

編譯 | 葉凌遠

超環(huán)面儀器（ATLAS）是大型強子對撞機的四個主要探測器之一，已經(jīng)針對新一輪的對撞實驗進行了升級。圖片來源：MAXIMILIEN BRICE/CERN

十年前，粒子物理學家讓整個世界為之振奮。歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（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)量的關鍵。這一發(fā)現(xiàn)證實了一個當時已具有48年歷史的理論預言，完善了一個被稱為標準模型的物理理論，并將物理學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。在很長一段時間內(nèi)，物理學家們——包括Higgs本人，都不清楚這一假設背后的物理意義。但隨著時間的推移，人們逐漸意識到希格斯玻色子在粒子物理中所扮演的重要角色。它是標準模型所缺失的最后一塊拼圖，該粒子（或更準確地說激發(fā)該粒子的希格斯場）是所有粒子存在質(zhì)量的原因。質(zhì)量并不如人們原來所設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宇宙中的希格斯場相互作用的結果。物理學家們幾十年前就已相信這一理論，但直到2012年它才真正被實驗所證實。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)是粒子物理學一個不朽的成就：它標志著長達數(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代。但緊接著，這一領域便陷入了狂歡后漫長的宿醉。早在這27公里長的環(huán)形大型強子對撞機于2010年開始正式采集數(shù)據(jù)之前，物理學家們便擔心它或許只能產(chǎn)生希格斯粒子，而無法對標準模型之外可能存在的新物理留下任何線索。目前，這噩夢般的情形正一步步變?yōu)楝F(xiàn)實。“這有些令人失望，”加州理工學院的物理學家Barry Barish說道，“我以為我們會發(fā)現(xiàn)超對稱（supersymmetry）。”這是擴展標準模型的一種主流物理理論。

不過許多物理學家表示，現(xiàn)在就絕望還為時過早。經(jīng)過三年的升級，大型強子對撞機正卯足了勁，準備進行計劃中五輪實驗里的第三輪。它每秒會產(chǎn)生數(shù)十億次的質(zhì)子-質(zhì)子對撞，新粒子便可能誕生于其中。人工智能的發(fā)展也帶來了新的機遇——若在十年前，大部分物理學家可能會對用神經(jīng)網(wǎng)絡來分析數(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，一個專門的神經(jīng)網(wǎng)絡已搭建完畢，它能幫助物理學家們在海量的數(shù)據(jù)中搜索值得進一步研究的現(xiàn)象。大型強子對撞機還會再運行16年，且隨著進一步升級，它收集的數(shù)據(jù)量將達到已經(jīng)收集數(shù)據(jù)的16倍。所有這些數(shù)據(jù)都可能蘊含著新粒子和新物理的微妙蹤跡。

然而，一些研究學者也認為對撞物理實驗已經(jīng)時乖運蹇、日暮窮途了。芝加哥大學的物理學家Juan Collar在一些小型實驗中尋找暗物質(zhì)的蹤跡：“如果他們?nèi)詻]有任何發(fā)現(xiàn)，整個領域便會沉寂消亡?！眰惗貒鯇W院的理論物理學家John Ellis則表示，在這一領域取得突破的希望已經(jīng)被漫長且不確定的探索前景所磨碎，最終的失敗會像拔牙一樣突然且痛苦，不會只如牙齒自然掉落一般無聲無息。

自上個世紀70年代以來，物理學家就一直在與粒子物理的標準模型角力。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——它們每三個結合在一起，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成。兩組更重的粒子則一直潛伏在真空內(nèi)，僅僅會在粒子碰撞所產(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。

標準模型描述了科學家們迄今為止在粒子對撞機中所觀察到的一切現(xiàn)象。然而，它不可能是有關自然界的終極理論。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。標準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)也由標準模型描述，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)了主導地位。圍繞希格斯玻色子本身也還有很多謎團亟待解決。

大型強子對撞機本應打破這一僵局。在它的環(huán)形結構中，兩個朝相反方向循環(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，這其中的能量達到了以往任何對撞機所能達到的七倍還多。十年前，許多物理學家都設想能在大型強子對撞機中迅速發(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DESY實驗室粒子物理學主任Beate Heinemann回憶，人們以為會被淹沒在產(chǎn)生的超對稱粒子中。物理學家們那時普遍認為，找到希格斯粒子可能會需要更長的時間。

但沒有預料到的是，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)量比許多物理學家預期的要小，大約僅為質(zhì)子的133倍。若其質(zhì)量超過了大型強子對撞機的能量上限，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中里程碑式的結果。但在這之后的10年，物理學家們還沒有發(fā)現(xiàn)其他任何新粒子。

新現(xiàn)象的貧瘠挑戰(zhàn)著物理學家們所珍視的幾個原理。自然性（naturalness）原則指的是在一個理論中，物理常數(shù)構成的無量綱比值應該與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子對撞機所能達到的能量范圍內(nèi)還存在著新的未知粒子。根據(jù)量子力學的原則，任何游蕩在真空中的虛粒子都會與真實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)量本應被真空中其他的標準模型粒子大幅拉高，特別是頂夸克，然而事實并不如此。因此理論學者推斷，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。

超對稱理論能夠提供這種粒子存在的依據(jù)：對于每個已知的標準模型粒子，它都假設存在一個具有不同自旋且質(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，同時還能幫助解釋希格斯場是如何產(chǎn)生的。

但是在過去的十年，人們僅僅發(fā)現(xiàn)了一些實驗觀測結果和標準模型預測之間的微小差異，而這些反常現(xiàn)象并不指向人們所希望存在的新粒子。例如在2017年，利用底夸克探測器（LHCb，大型強子對撞機四個主要粒子探測器之一）進行實驗的物理學們家發(fā)現(xiàn)，B介子（一個包含重質(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勒諛藴誓Ｐ?，這兩個概率應該是一樣的。類似的，也有實驗表明μ介子的磁性可能比標準模型所預測的稍強一些。

希格斯粒子本身也提供了其他的探索方向。2020年8月，在大型強子對撞機超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊μ子線圈（CMS）探測器工作的物理學家團隊宣布，他們都發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子衰變?yōu)棣套雍头处套訉Φ默F(xiàn)象。費米國家加速器實驗室的理論物理學家Marcela Carena表明，如果這種罕見的衰變具有與理論預測值不同的速率，這種偏差就可能預示著隱藏在真空中的新粒子。

物理學家們將在大型強子對撞機下一次為期三年的實驗中對這些現(xiàn)象進行探索。然而，這些探索可能不會導致戲劇性的“尤里卡！”時刻。Heinemann說：“現(xiàn)在的實驗正朝著以極高精度測量微妙現(xiàn)象的方向轉變?！辈贿^，Carena表示，“我非常懷疑在20年后，我會說，‘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到。’”

若把希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)過程看作登上一座山，則當Higgs最早提出他的理論時，我們甚至不知道這山脈到底在哪里，或者它可能有多高——粒子物理學的標準模型甚至都并不完整。人們只是模糊地意識到，在一座山峰的某個地方存在著希格斯粒子，它能真正證實整個標準模型結構的存在。到20世紀90年代末，我們才對這座山的高度有一點感覺；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)在的預測是正確的，在平原的某處一定還有其他山脈，標志著物理學的又一高峰?；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B介子和μ介子反?，F(xiàn)象的關鍵），甚至是超對稱粒子或暗物質(zhì)粒子；也許我們能解開有關希格斯粒子更多的謎團——希格斯粒子本身是一個基本粒子還是復合粒子？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暗物質(zhì)更多的信息嗎？希格斯場是否通過自作用賦予希格斯粒子自身的質(zhì)量？許多科學家對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。

其他人對大型強子對撞機實驗者們的機遇則沒有那么樂觀。明尼蘇達大學雙子城分校的物理學家Marvin Marshak就認為：“他們面對的是一片沙漠，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子對撞機所無法具備的。歐洲核子研究中心正在籌劃下一個能量更高的對撞機——未來環(huán)形對撞機（Future Circular Collider），作為以后的“希格斯工廠”。但即便是樂觀主義者也認為，如果大型強子對撞機沒有發(fā)現(xiàn)任何新的東西，那么將更難說服世界各國政府建造下一個更大、更昂貴的對撞機來保持這一領域的發(fā)展。

現(xiàn)如今，大型強子對撞機的許多物理學家們只是為能夠繼續(xù)回到質(zhì)子對撞的工作中而感到興奮。在過去的三年里，科學家們已經(jīng)升級了探測器，并重新設計了對撞機的低能加速器部分。歐洲核子研究中心加速器和粒子束主任Mike Lamont說：現(xiàn)在，大型強子對撞機應該會有更穩(wěn)定的碰撞率，能有效地將數(shù)據(jù)量增加50%之多。幾個月來，加速器的物理學家們一直在緩慢地調(diào)整大型強子對撞機產(chǎn)生的粒子束。在粒子束流足夠穩(wěn)定后，他們會打開探測器，恢復數(shù)據(jù)采集，進行新一輪的實驗，繼續(xù)在黑暗的平原上邁進。

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

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