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

【跨过山河,穿越隧道,记者全程体验飞驰的高铁—— 宛渝若邻 千里只是一瞬间 】#服务百姓生活##高质量发展•南阳更出彩##郑渝高铁开通首日# 南阳到重庆有多远? 在古代,大概需要一个月以上才能走到。李白的一句“蜀道之难,难于上青天”千年回响,道不尽人们进出巴山蜀地所经历的艰难险阻。 今年6月20日前,想去重庆,可乘坐K15次列车,行程耗时13小时32分钟。 6月20日,郑渝高铁全线开通运营,记者作为南阳日报社郑渝高铁首发采访团的一员,登上G3421次列车,体验了由南阳至重庆的千里旅程、仅用3小时36分钟即可到达的飞一般的“中国速度”。 当乳白色的动车组以300余公里的时速,在原野上、乡村边、隧道里呼啸而过时,列车上的每一个人,都深切体会到“距离不是距离,时间才是距离”的含义。300公里时速 平稳舒适

6月20日9时43分,记者乘坐的G3421次动车组,准时从南阳东站启动,七八分钟后,就达到了302公里的运行时速。 “遨游盛宛洛,冠盖随风还。”李白《南都行》中的这句诗,很符合车上乘客的心情。这是一次全新的体验,虽然此次乘坐的和谐号列车并不是最新的,但旅程是全新的,车厢内外,仿佛都是新的,连刚刚收过麦的田野也是新的。车厢里欢声笑语不断,到重庆旅行的河南人,专门体验郑渝高铁首发而返乡的重庆人,每个人的内心都是新奇新鲜的。喜庆的旗袍穿起来,久违的乡音唠起来,加油的欢呼声响起来,“期待很久,所以心情格外激动,昨晚都睡不着觉。”在豫创业的重庆人李先生说。 列车全速运行时,颠簸感极小。记者随手将釆访本合好直立放在桌面上,本子纹丝不动;再看桌面上放着的水杯,水面仅有极小的波纹。从二等座到商务座 各取所需 6月的南阳盆地,骄阳似火,窗外,刚刚收过麦的田野里,人们正忙着夏种。 10时16分,列车到达湖北襄阳东站,用时33分钟。这是在平原上奔驰的33分钟,车厢内外都是明亮的,从南阳上车的旅客,还在新奇地体验着车内的各种设施。 G3421次列车是从郑州东站始发的,终点站为成都东站。我们乘坐的动车共8节车厢,其中1号、8号车厢为一等座和VIP商务座,其余车厢均为二等座。车厢环境优雅,座椅功能设计也极为人性化,每组座位底部都有一个电源插座方便充电。556个座位中,旨在满足一般旅客需求的二等座数量最多,达到518个。一等座28个,VIP座10个。

记者从3号车厢穿行至1号车厢,体验观察了二等座、一等座和VIP商务座,意外地发现这趟车的上座率很高。据随车的郑州客运段高铁三队副队长郑璐介绍,从郑州开始,这趟车前后上了426人。 这一趟列车,车型是和谐号CRH380B。 郑璐介绍,6月23日,G3421次列车将启用复兴号CR400BF智能配置动车组。这一车型采用低阻力新头型,增加智能配置模块;基于人机工程理论优化商务座椅和一、二等座椅,提升乘坐私密性、舒适性、便捷性;优化旅客娱乐系统,提供休闲娱乐、交互体验、信息共享、手机投屏等功能,提升服务体验;设置5G+WiFi网络,无障碍车厢设盲文标识,餐车设开放式餐吧区和自动售卖机,提升服务便捷性;采用变频空调机组,卫生间内设智能照明,节能环保。 如果想体验最新最先进的高铁设施,复兴号智能配置动车组是不错的选择。窗外美丽风光 扑面而来 列车在襄阳东站停留4分钟后,10时20分向神农架驶去。 记者曾于2018年5月自驾游览神农架,虽然道路崭新、养护到位,但因隧道多,转弯多,山路容易起雾,加上限速,从南阳城区到神农架用了整整8个小时。而郑渝高铁襄阳至神农架最快用时38分钟。也就是说,从南阳到神农架,最快1小时11分钟就到了。 远山如黛,近水微澜,列车在神农架站呼啸而过。6月的神农架和那个5月的神农架一样,群山连绵,云雾缭绕,神秘、美丽、原始。遥想大九湖、神农顶、神农坛,从远古至今发生过多少故事,但还有多少人记得呢!

遐思间,列车已进入巫山境内。 从巫山起,列车几乎时时行进在黑暗的隧道中,与城市地铁相仿。偶尔驶出隧道,窗外的峰峦叠嶂,亦是一闪而过。虽然“出洞即上桥、下桥即进洞”,但巫山、奉节等名字已自带人文风韵,让人产生无限诗意和联想。 “曾经沧海难为水,除却巫山不是云。”这两句诗语言幻美,是千古传诵的爱情名句,也让巫山广为天下知。 巫山扼守重庆东大门,是游览长江三峡的必经之地。而三峡延绵七百里,自奉节始。奉节位于长江三峡腹心,三国文化、诗词文化等优秀传统文化交相辉映、璀璨多姿。 “无边落木萧萧下,不尽长江滚滚来”“危石才通鸟道,空山更有人家”“东边日出西边雨,道是无晴却有晴”……吟诵着脍炙人口的千古诗句,看着近在咫尺的巴山渝水,有一股超越时空的奇特感觉。 高铁,让巫山、奉节这些以前在古诗中读到的城市,倏地呈现眼前。高铁,让城市之间变得“近在咫尺”,让万里河山仿佛触手可及。3小时前还在伏牛山下,3小时后已依稀看到雾都的身影。抵达,只在一瞬间……

夜空 彷佛伸手可得
海水 却深不可测
轻轻呼吸 告诉自己
黑暗中别怕孤独寂寞
流星 在夜空中划过
点燃 我心中的执着
用尽全力 绝不退缩
只为兑现曾经的承诺
抬头仰望漫天璀璨星河
在迷途中点亮盏盏灯火
穿越茫茫夜色再也不怕
大海无边辽阔
无论走过多少潮起潮落
分分秒秒孤独向前穿梭
千难万险它也不能阻隔
与你相见那一刻


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