粒子物理学停滞不前的噩梦该怎样打破?

科普中国 叶凌远 编译

十年前,粒子物理学家让整个世界为之振奋。欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC)是世界最大的粒子加速器。2012年7月4日,在这里工作的6000多名研究人员宣布,他们发现了希格斯(Higgs)玻色子的踪迹。这是一种质量极高、寿命极短的粒子,是解释其他基本粒子如何获得它们质量的关键。这一发现证实了一个当时已具有48年历史的理论预言,完善了一个被称为标准模型的物理理论,并将物理学家们推到了聚光灯下。

希格斯粒子的存在性最早由Peter Higgs于1964年提出。在很长一段时间内,物理学家们——包括Higgs本人,都不清楚这一假设背后的物理意义。但随着时间的推移,人们逐渐意识到希格斯玻色子在粒子物理中所扮演的重要角色。它是标准模型所缺失的最后一块拼图,该粒子(或更准确地说激发该粒子的希格斯场)是所有粒子存在质量的原因。质量并不如人们原来所设想的那般为粒子的内在禀赋;相反,它是粒子们与弥散在整个宇宙中的希格斯场相互作用的结果。物理学家们几十年前就已相信这一理论,但直到2012年它才真正被实验所证实。

希格斯玻色子的发现是粒子物理学一个不朽的成就:它标志着长达数十年的探索之旅告一段落,也开启了研究这种极其特殊的粒子的新时代。但紧接着,这一领域便陷入了狂欢后漫长的宿醉。早在这27公里长的环形大型强子对撞机于2010年开始正式采集数据之前,物理学家们便担心它或许只能产生希格斯粒子,而无法对标准模型之外可能存在的新物理留下任何线索。目前,这噩梦般的情形正一步步变为现实。“这有些令人失望,”加州理工学院的物理学家Barry Barish说道,“我以为我们会发现超对称(supersymmetry)。”这是扩展标准模型的一种主流物理理论。

不过许多物理学家表示,现在就绝望还为时过早。经过三年的升级,大型强子对撞机正卯足了劲,准备进行计划中五轮实验里的第三轮。它每秒会产生数十亿次的质子-质子对撞,新粒子便可能诞生于其中。人工智能的发展也带来了新的机遇——若在十年前,大部分物理学家可能会对用神经网络来分析数据的想法嗤之以鼻。但在许多更为年轻的研究员以及工业界合作伙伴的帮助下,一个专门的神经网络已搭建完毕,它能帮助物理学家们在海量的数据中搜索值得进一步研究的现象。大型强子对撞机还会再运行16年,且随着进一步升级,它收集的数据量将达到已经收集数据的16倍。所有这些数据都可能蕴含着新粒子和新物理的微妙踪迹。

然而,一些研究学者也认为对撞物理实验已经时乖运蹇、日暮穷途了。芝加哥大学的物理学家Juan Collar在一些小型实验中寻找暗物质的踪迹:“如果他们仍没有任何发现,整个领域便会沉寂消亡。”伦敦国王学院的理论物理学家John Ellis则表示,在这一领域取得突破的希望已经被漫长且不确定的探索前景所磨碎,最终的失败会像拔牙一样突然且痛苦,不会只如牙齿自然掉落一般无声无息。

自上个世纪70年代以来,物理学家就一直在与粒子物理的标准模型角力。依照该模型,普通物质由被称为上夸克和下夸克的轻质量粒子——它们每三个结合在一起,形成质子和中子——以及电子和几乎没有质量、被称为电子中微子的粒子构成。两组更重的粒子则一直潜伏在真空内,仅仅会在粒子碰撞所产生的冲击中稍纵即逝地显现。所有的粒子都通过交换其他粒子的形式相互作用:光子传递电磁力,胶子传递把夸克捆绑在一起的强相互作用力,而大质量的W和Z玻色子则传递弱相互作用力。

标准模型描述了科学家们迄今为止在粒子对撞机中所观察到的一切现象。然而,它不可能是有关自然界的终极理论。它无法描述引力,也并不包括神秘的、不可见的暗物质。在宇宙中,暗物质和普通物质的质量比可能约为6:1。标准模型中囊括了中微子,但人们仍不能为其极低的质量提供解释;显然普通物质也由标准模型描述,但人们同样不知道其如何在宇宙大爆炸后胜过反物质,占据了主导地位。围绕希格斯玻色子本身也还有很多谜团亟待解决。

大型强子对撞机本应打破这一僵局。在它的环形结构中,两个朝相反方向循环的质子撞在一起,产生其他地方无法获得的重型粒子,这其中的能量达到了以往任何对撞机所能达到的七倍还多。十年前,许多物理学家都设想能在大型强子对撞机中迅速发现一些新现象,包括新的传递相互作用的介质粒子甚至是迷你黑洞。德国DESY实验室粒子物理学主任Beate Heinemann回忆,人们以为会被淹没在产生的超对称粒子中。物理学家们那时普遍认为,找到希格斯粒子可能会需要更长的时间。

但没有预料到的是,仅在短短3年内,希格斯粒子便被迅速地发现了。部分原因是它的质量比许多物理学家预期的要小,大约仅为质子的133倍。若其质量超过了大型强子对撞机的能量上限,或其与其他粒子的相互作用较弱,我们根本就没有发现它的希望。Higgs本人就曾表示,他从未预想过能在他有生之年发现希格斯粒子存在的证据,这无疑是粒子物理学中里程碑式的结果。但在这之后的10年,物理学家们还没有发现其他任何新粒子。

新现象的贫瘠挑战着物理学家们所珍视的几个原理。自然性(naturalness)原则指的是在一个理论中,物理常数构成的无量纲比值应该与1同阶。据此,希格斯粒子质量较低或多或少地保证了在大型强子对撞机所能达到的能量范围内还存在着新的未知粒子。根据量子力学的原则,任何游荡在真空中的虚粒子都会与真实的粒子相互作用并影响其性质——这正是虚希格斯玻色子赋予其他粒子质量的方式。希格斯粒子的质量本应被真空中其他的标准模型粒子大幅拉高,特别是顶夸克,然而事实并不如此。因此理论学者推断,至少还有一种具有类似质量和恰到好处的物理特性——特别是不同自旋——的新粒子存在于真空中,以“自然地”抵消顶夸克所产生的影响。

超对称理论能够提供这种粒子存在的依据:对于每个已知的标准模型粒子,它都假设存在一个具有不同自旋且质量更重的伙伴粒子。这些伙伴粒子不仅可以保证希格斯粒子的质量不过高,同时还能帮助解释希格斯场是如何产生的。

但是在过去的十年,人们仅仅发现了一些实验观测结果和标准模型预测之间的微小差异,而这些反常现象并不指向人们所希望存在的新粒子。例如在2017年,利用底夸克探测器(LHCb,大型强子对撞机四个主要粒子探测器之一)进行实验的物理学们家发现,B介子(一个包含重质量底夸克的粒子)有更大概率衰变为电子和正电子,而不是衰变为μ子和反μ子——依照标准模型,这两个概率应该是一样的。类似的,也有实验表明μ介子的磁性可能比标准模型所预测的稍强一些。

希格斯粒子本身也提供了其他的探索方向。2020年8月,在大型强子对撞机超环面仪器(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)探测器工作的物理学家团队宣布,他们都发现了希格斯粒子衰变为μ子和反μ子对的现象。费米国家加速器实验室的理论物理学家Marcela Carena表明,如果这种罕见的衰变具有与理论预测值不同的速率,这种偏差就可能预示着隐藏在真空中的新粒子。

物理学家们将在大型强子对撞机下一次为期三年的实验中对这些现象进行探索。然而,这些探索可能不会导致戏剧性的“尤里卡!”时刻。Heinemann说:“现在的实验正朝着以极高精度测量微妙现象的方向转变。”不过,Carena表示,“我非常怀疑在20年后,我会说,‘哦,孩子,在希格斯粒子发现之后,我们什么新东西也没有学到。’”

若把希格斯玻色子的发现过程看作登上一座山,则当Higgs最早提出他的理论时,我们甚至不知道这山脉到底在哪里,或者它可能有多高——粒子物理学的标准模型甚至都并不完整。人们只是模糊地意识到,在一座山峰的某个地方存在着希格斯粒子,它能真正证实整个标准模型结构的存在。到20世纪90年代末,我们才对这座山的高度有一点感觉;直到2012年,我们才最终登上了这座山峰。

但现在不同了,我们得从这座山的另一边下去,穿过荒芜的平原。这平原向前延伸着,也许一直触碰到普朗克尺度(宇宙中空间的最小尺度)。如果我们现在的预测是正确的,在平原的某处一定还有其他山脉,标志着物理学的又一高峰。或许我们能发现新的粒子,如轻夸克(leptoquarks,它可能是解释前文提到的有关B介子和μ介子反常现象的关键),甚至是超对称粒子或暗物质粒子;也许我们能解开有关希格斯粒子更多的谜团——希格斯粒子本身是一个基本粒子还是复合粒子?它能与暗物质相互作用吗?如果能,我们能通过它了解有关暗物质更多的信息吗?希格斯场是否通过自作用赋予希格斯粒子自身的质量?许多科学家对我们能解决这些问题持乐观的态度(尽管听起来有些像在画饼)。但至少,没有任何明确的迹象表明,我们必须穿越多远的平原才能看到这些新的山脉——这就是我们现在的处境和过去几十年之间的区别。

其他人对大型强子对撞机实验者们的机遇则没有那么乐观。明尼苏达大学双子城分校的物理学家Marvin Marshak就认为:“他们面对的是一片沙漠,而他们并不知道这片沙漠有多广茂。”为了解决上述这些问题,我们很可能需要大量制造希格斯粒子的能力,而这种能力是现在、甚至二十年之后的大型强子对撞机所无法具备的。欧洲核子研究中心正在筹划下一个能量更高的对撞机——未来环形对撞机(Future Circular Collider),作为以后的“希格斯工厂”。但即便是乐观主义者也认为,如果大型强子对撞机没有发现任何新的东西,那么将更难说服世界各国政府建造下一个更大、更昂贵的对撞机来保持这一领域的发展。

现如今,大型强子对撞机的许多物理学家们只是为能够继续回到质子对撞的工作中而感到兴奋。在过去的三年里,科学家们已经升级了探测器,并重新设计了对撞机的低能加速器部分。欧洲核子研究中心加速器和粒子束主任Mike Lamont说:现在,大型强子对撞机应该会有更稳定的碰撞率,能有效地将数据量增加50%之多。几个月来,加速器的物理学家们一直在缓慢地调整大型强子对撞机产生的粒子束。在粒子束流足够稳定后,他们会打开探测器,恢复数据采集,进行新一轮的实验,继续在黑暗的平原上迈进。

参考资料

[1] https://t.cn/A6Shu1F0

[2] https://t.cn/A6Shu1FC

[3] https://t.cn/A6Shu1FN

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

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其实不是有很多人能够处理自己的情绪和状态,所以在一般的情况下,大家会有的反应很多种多样,但基本上是通过外力进行逃避和忽略的。比如,购物、吃高热食物、运动、按摩spa、或者看电影等等。但其实如果一个人真正陷入焦虑和情绪困境中,这些是治标不治本的,因为通过这些行为,情绪状态只是被积压下来了,但没有被解决。你我都有吧。

我经常会在生活中抱怨一些人,他们没有感知能力,甚至是不能倾听,更别说理解他人和换个视角来看事物的能力了。在交流过程中,我就会非常不耐烦,忍不住去讽刺或者中断交流。因为觉得说什么都觉得是无效的。只能恨恨地想,我没有义务去帮助你交这个学费。

当我试图进行追问,我看到了自己对于他人的不满,人对自身的纵向探索确实是不同的,有人在某些时候确实会无法客观看待自己的情绪和反应,选择性地视而不见,就对外界去进行展示,造成很多相处当中的烦躁和积郁。同时我还看到了自己:在愤恨的背后隐藏着我的沮丧。

佛教一直说的是见心明性,什么东西需要常擦拭呢。其实就是对自己不断进行冲刷,看到后面的感受,只有看到这些才能把自己的坐标定位好来去面对世间。但我也只能度己不能度人。

我自问属于自我情绪调节能力不错的人。即便如此,最近几个月,也是感受到越来越多难以处理的情绪。

我似乎也能更理解那些我曾经抱怨的朋友,大家对于自己心灵和精神方面的锻炼其实是缺乏方法和工具的。现在有非常多的名目的课程,都是抽象概念性的,比如灵修和冥想等等。我很讨厌这种言论:太浮躁了,我要静下心来。

静并不代表任何知见。这些鸡汤令人生厌的原因是:它说的如此轻巧,好像做到这件事情很容易。如果做不到,会显得自己愚钝了。

真正帮助到人的是:路径和工具。

面对情绪和状态,我认为该拆分的步骤是感受,拆分,归类,最后是做出反应。反应是最简单的,因为可以是浑浑噩噩的。多少时候做出伤人伤己的反应,也正是缺少了前面理性的感受分析,这是特别难的。需要一个特定的训练才能培养出来。

我接触数字心理干预这个概念的时候,是好几个月前通过暂停实验室来了解的。他们有一个情绪训练营,我是被一句话打动的,当我问这到底是什么产品,你能不能一句话介绍一下。对方联系人跟我说,这是一个助人自助的心理干预产品。

对于有困扰的人,这是一款在自己看书和看心理咨询之外的高性价比情绪改善计划。

简单来说:是把真人专家的面对面指导中起效的部分,将那些在主流心理干预起效的部分,提取出来变成你每天的训练内容,每天你通过使用这些工具,按部就班的训练,最终会内化成你的能力。你应该也看出了,它已经不是心理咨询了,而是一种新物种。基于科学循证,标准化,方便不需要被对方时间限制,自己打开手机能用,还有数据追踪。

在此之前我确实不知道还有这样的方法。查资料才知道,在美国数字心理干预也是近两年来才发展起来。顶级学术期刊的研究也显示这种方法确切有效。

我比较惊讶的是暂停实验室这款产品,走的更远。可能是鉴于大部分人还不熟悉心理学产品,所以暂停实验室的这款产品,则是结合了自助训练的灵活自由,又保留了真人专业支持的温度,当你有需要时,可以及时在群里找到他们答疑。因此这种全程真人线上指导的数字心理干预,被称为陪伴式自助 guided self help。

从 2019 年产品内测到现在,在 4 万多真实付费用户的样本中有80%显著有效,坚持率63%。

我加入训练之后,发现这是一个以25天为一个训练周期的「心理健身房」:提供一系列直接面向用户的在线干预计划,主要是情绪,饮食还有睡眠。我参加的则是情绪EBP训练:增强参与者的情绪调节能力,降低焦虑抑郁失眠等压力引发的情绪困扰。每天做的训练就两件小事:正念基础+情绪日记书写。

我记得暂停实验室创始人郭婷婷有一句话说,在事件和反应之间,有一个空间。

遇到急性压力时,状态疲倦低落时,我们就会「动物模式」,不带觉察,未经审视,做出近乎自动化的惯性行动。人保留了这种惯性反应,但同时它还有自己的理性的一面,这是独属于人脑的智慧:那就是在压力面前,经过训练的头脑会在事件和反应之间,增加注意和评估。

对于绝大部分人来说,自己是一个黑箱子。我不舒服但我说不出来原因,只看到自己的生活质量在悄无声息的折损。

要去理解这个黑箱子,需要从打开黑箱子,训练自己的觉察能力开始。而下一步,则是训练评估:如何看懂自己的优势资源能力,看懂自己的需求目标优先级,看清楚自己的想法哪些是真实的,哪些是夸张的。当我们的思考方式变得更加理性,我们才有机会做出更适合的行动选择。

未经审视的人生不值得一过。

实际上做的时候,我一下子明白整个计划,和每日训练的两个工具到底意味着什么了,其实那些概念——觉察,承认,行动,就是当你在面对所有外界信息产生的内在情绪中,你开始能够一点点看清楚这些情绪的生产过程。而在这些负面的情绪中,如何抽丝剥茧将它们归类收纳。正念对于我,就是一个停下来照镜子,把情绪黑箱子照亮,而情绪日记书写则像是给情绪黑箱子做大保洁,然后体验重新享受秩序感的体验。

这对于我一个秩序强的强迫症来说,进行训练的时候有非常微妙的感受,一方面是按照自己意愿进行收纳规整,另一方面又可以松弛下来,像躺在一个负压氧气舱体内。一开始,这个训练是一个临时出口,你还会回到现实里面来,但随着坚持的时间加长,我会觉得这像是在现实中给自己置换出一个「20 分钟的超强时空」,从浑浑噩噩到耳清目明,是的,每天也就是2个10分钟左右,这时间花的值。不要觉得你抽不出来这时间,大概率这20分钟是被浪费掉的,不如用它来做些对自己更有益的事。

25 天是一个「爬山」的过程,第一阶段走马观花,如果你处在极度沮丧,你会惊讶于原来一点点训练就能打开自己的注意力,发现很多错过的积极信号;第二阶段略有探险的意味,用新的角度去看到那些你想逃避的情绪,这也是许多人最有收获的部分,从来没有人这样告诉我可以这样和情绪共处;而到了第三部分,则是确切的看清自己的价值方向,对于迷茫的朋友会有启发。

这中间,还设置了 3 天的休息,累了不想做了可以歇一歇无需做任何动作,无需任何理由。我想这种设计可能也是这个产品起效的原因,它不是通过说教,而是让你在交互中通过训练获知,情绪是正常的,允许自己休息是重要的。如果你觉得自己也丧失了休息的能力,想休息又不敢休息,我会劝你来试一试,这是一个让自己高效恢复精力的方法。

每个人其实站在山脚山腰的感觉都不一样,看到的风光横看成岭侧成峰。对于每个成年人最重要的能力不是静下心来,是哪怕我真的做不到完全静下来,仍然可以带着情绪,做出理性的选择,让生活能继续,不是吗?

暂停实验室的产品定位上希望和心理咨询的的关系是互补和共同促进用户对心理健康的关注和意识的提升,而不是彼此替代的关系。对于有些朋友喜欢在人际互动关系中成长的,一对一咨询比较适合,有些朋友更愿意通过自己探索,暂停的半自助式可能更适合。

对于那些还没想好要不要去做心理咨询的朋友,先通过暂停是个很好的尝试,也有人在练完觉得给了ta勇气做心理咨询;也有人边做心理咨询/吃药边练暂停实验室;此外,当然还有困扰程度的不同,处于重度发作期的朋友,大家还是建议去医院寻求诊疗。

在每天十分钟的正念训练过程当中,我体会最深的是自己可以置身一个打开六感的场域之中。即使身处喧嚣,依然可以调动自己的注意力,如一束灯一样,照见自己的情绪和身体。这时候觉得自己是一座灯塔,而同时那些思绪就如海洋一样,被看见一片片的领域。

对了,暂停实验室的设置很有意思,每月仅开放一次,一期一会。8月开营是8号周一。周日截止报名。去绿号 搜 暂停实验室的名字,发送「艳光」,原价698的情绪EBP,能-50,发送「艳光学生价」,凭学生证可-150。坚持练完21天,还能返100,如果想继续练,只需交100就能参加复训,资料可以一直复看,性价比非常高。

有一首老歌,叫闪亮的日子。在做情绪EBP 的时候,每一次的总结记叙,都像记录闪亮的日子。如果你有失眠,情绪焦虑,阶段性恐慌,人际关系的逃避不知所措,希望你能试一试这个课程挖掘向内的力量,找到安宁中的明亮来抵御繁杂世事。


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