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重启大型强子对撞机
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Matthew Chalmers 文 Shea 编译 |
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忘了希格斯粒子吧。现在，我们将要去寻找现实的根源。在为期两年的改造之后，大型强子对撞机将重新焕发活力，去探测那些甚至更为另类的粒子。 就像地平线上闪闪发光的海市蜃楼，这是一片把我们和希望之地分隔开的巨大“沙漠”。在这片希望之地上充满了答案，在那里我们最终将获得对物质现实的完全认识。别做梦了：我们无法去往这个天堂。穿越沙漠的道路太过漫长而炎热，没有车能带我们去那里。不过，物理学家们的这一愿望正在得以实现：有一台机器刚刚从两年的沉睡中醒来，它可以让我们迈出决定性的一步，甚至可能揭示出距离我们较近的答案。 它就是大型强子对撞机（LHC）。座落在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心，这台威力最大的粒子对撞机因其在2012年发现了希格斯玻色子而威名远播。现在它将要去探测景观中最后一片未知的区域，而这一景观便是标准模型——我们目前有关物质及其相互作用的最好理论。  自2013年2月起，LHC经历了全面的检修。现在，它又再次准备就绪，能以比往任何时候都更为强大的能力去进行一次穿越沙漠的征程，探明未知的疆域。科学家们的兴奋之情显而易见。这是一个千载难逢的机遇，在一个全新的能标上揭示新的物理学。 粒子物理学家用能量来进行度量。通过爱因斯坦著名的质能方程E = mc2，以高速相互撞击到一起的粒子会把它们的质量转化成巨大的能量，后者反过来会形成其他质量更大的粒子。我们的宇宙始于一次高温高密的大爆炸，因此通过加速粒子获得的碰撞能量越高，我们就越接近宇宙和物质本身的起源。 通过这一方式，LHC以及此前的对撞机已让我们能探测和研究标准模型。这个理论描述了构成物质的基本粒子，被称为轻子和夸克，以及负责承载三种基本作用力——电磁力、弱核力和强核力——的粒子。 这一理论至高无上的荣耀是希格斯玻色子。这个粒子代表了一种无处不在的无形实体——希格斯场，正是与它的相互作用使得所有其他的基本粒子获得了质量。对于解释早期宇宙中的一个关键时刻而言，希格斯子是必不可少的。最初，电磁力和弱核力同属于统一在一起的弱电力，直到在大爆炸后10-12秒希格斯场开启。它的出现打破了力的对称性，赋予了承载基本作用力的粒子以不同的质量。自此，由无质量光子所承载的电磁力可以作用于无穷远的距离，而由大质量W和Z玻色子所承载的弱核力则被限制在了亚原子的尺度上。 完整但不完全 早在1964年，希格斯场的存在就已经被预言，但发现它需要达到LHC所拥有的能量：质子之间迎头撞击产生8TeV（1TeV=1万亿电子伏特）的能量。即便在当时，假设它确实存在，理论家也不能确定希格斯子的质量到底应该有多大。不过，这是个“旱涝保收”的局面：即使被证明仅仅是个数学幻象，它也将促使标准模型被修改并从头再来。 最终，这个难以捉摸的粒子被发现具有125GeV（1GeV=十亿电子伏特）的质量，处于LHC所能及的的能量范围之内。理论家们被证明是正确的。2013年10月，希格斯子理论的两个先驱弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和彼得·希格斯（Peter Higgs）分享了当年的诺贝尔物理学奖。 不过这里还有一个问题：虽然标准模型已经完整，但它却并是不完全。这个理论并不包含暗物质——一个相当大的疏漏，毕竟根据对星系运动的观测，这些不可见的物质占据了宇宙中所有物质的85%。它也没有告诉我们正常物质和反物质之间的微小不平衡最终是如何让正常物质充满整个宇宙的。对于宇宙中的第四种基本作用力引力，它更是保持着沉默。 在更为技术的层面上，为了使其奏效，标准模型依赖于一系列任意的常数。希格斯子仅仅是一个例子：它的质量不过是标准模型无法预言的众多物理量之一，只能通过实验来测定。该模型还有一些让人不快的地方：它认为希格斯子会与大质量粒子发生强烈的相互作用，使得它获得高达至少10亿TeV的质量。 绝大多数物理学家认为，标准模型只是一个更宏大理论的一部分，后者可以让我们统一所有的基本作用力并了解在所有能标下的物质。问题是，虽然精确的预言各不相同，但最合理的猜测是作用力的统一只出现在万亿TeV及以上的能标下，它最后一次出现是在宇宙诞生后的一瞬间——大爆炸之后10-36秒之内。 地球上没有任何加速器可以达到这么高的能量。由此，在我们和不可及的希望之地中间隔着一个巨大的沙漠。这使得LHC把碰撞能量升级到13TeV似乎也显得相当苍白，但事实并非如此。如果新一代理论中受青睐的候选者是正确的，那么我们即将步入的这一新疆域会包含新的粒子和现象，它们将帮助我们向最终的答案迈出决定性的一步。 受到垂青的是超对称理论。问世于上世纪70年代，超对称是第一个“大统一理论”，把弱电和强核力综合了起来。为了做到这一点，它引入了一大批“超粒子”，每一种已知的粒子都具有一个质量更大的超对称伙伴粒子，这些伙伴粒子中的一些可能就位于LHC可以探测的能标上。如果LHC发现了一种新粒子的信号，那整个理论界都会为之疯狂。 这不仅仅是因为最轻的超粒子提供了一个极好的暗物质候选体，它们还能自然地消除麻烦的量子涨落，使得希格斯子的质量不至于失控。探测器很有可能看不到暗物质超对称粒子，但它们会在配平能量和动量时留下空缺。不过，在一般情况下，超对称粒子都会以可预知的方式衰变成更轻的标准模型粒子，从而被探测到。 超对称是如此得受到理论家们的钟爱，所有人都渴望能捕捉到它的一丝线索，因此在数据分析的过程中需要格外小心，以防止过度的热情影响最后的判断。一旦科学家们确信LHC和分析软件可以平稳地运行，其数据就会被“遮蔽”——在积累了足够的数据之前，用来分析数据的计算机不会输出任何的计算结果，以防止标准模型的过程被误读为新的现象（见插页《更快，更高，更强》）。 要确认一个异常现象是全新的物理学结果，它必须要同时出现在LHC的两大实验装置——超环面仪器（ATLAS）和紧凑μ子线圈（CMS）——的数据中，就像发现希格斯子时的情况一样。 抑或，这根本就不会发生。在一个完美超对称的世界中，超粒子具有和其伙伴粒子完全相同的质量，于是在很久以前就应该被探测到了。理论家们认为，就像弱电力一样，超对称被“破坏”了，使得超粒子的质量会大得多。然而，如果它们质量太大，就无法用来解决一些现有的问题，例如希格斯子质量、暗物质以及基本作用力的统一。 在LHC的首次运转中并没有发现超粒子，这一事实已经限制了最简单超对称理论及其变体的生存空间。许多理论家表示，LHC未来几年的数据会决定他们是否需要向超对称说再见。如果LHC什么也没有发现，这将表明对于在高能标上的物理学我们其实一无所知。 在物理学家们寻找解决超对称难题答案的同时，引力仍然是一个棘手的问题。一般的观点认为，在LHC可探测的能标上，连看到引力被统一的一丁点迹象都是不可能的。引力要比其他三种基本作用力弱得多——强度小了约40个数量级——它只能可能在1016TeV的能量上才有可能被统一，这一能量几乎与大爆炸本身相当。 1998年，有理论家提出了一种新的可能性。假如我们的世界存在于一张三维空间“膜”上，而这张三维膜又漂浮在一个维数更高的空间中，情况会怎么样？那么，引力可以渗透到所有的维度中，但在我们三维空间中它看上去就被“稀释”了，显得极弱。如果真是这样，引力的真正强度会使得统一基本作用力的希望之地就位于更加靠近我们现在所处的地方，甚至或许就在LHC可及的范围之内。由此，沙漠将不再是沙漠，而是会充满了许多奇怪的东西，例如迷你黑洞。在LHC中，粒子的剧烈碰撞有可能会扭曲时空，从而形成迷你黑洞。它们会以极其特殊的样式衰变成大量我们更为熟悉的粒子。 不过，即使是类似的事件也可能会因能量过高而无法被直接探测到，但由此产生的粒子兴许会影响到位于较低能标下的粒子，从而被探测到。在LHC和先前对撞机的数据中确实潜伏着一些不明原因的现象，在重启之后这些现象到底是否真的存在会变得日益清晰。即便存在这样一些微小的效应，但也并不一定就意味着是新的粒子。理论家们可以提出各种各样的假说来解释这一现象。 对于实验物理学家来说，让他们兴奋的并不在于在证明这个或者那个假说，而恰恰是前方的未知。相对于希格斯子的发现，肯定还有更为广阔的各种可能性。 因此，LHC即将探索的是一片满是粒子的林地，它将给予我们有关前方沙漠以及更遥远地方的线索。若什么也没发现，那我们就将停滞不前，没有任何有关下一步该如何前行的线索，对于标准模型为什么会是这样也不会有任何“自然”的解释。如果真是这样，那物理学家只能假设标准模型是某种怪异的精调和奇怪的巧合的结果。也许我们的标准模只是无数种其他可能性中的一个，我们的宇宙也只是无数种可能的宇宙之一。或许只有一台机器能达到更高能标的机器才能回答这个问题。 但在此期间，让我们跟随升级后的LHC，无论它会把我们带往何方——那里也许将是一个遥不可及的国度，但可以肯定它将远不止是希格斯子和一大堆悬而未决的问题。
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[New Scientist 2015年3月27日]
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