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

【每日知识分享——股市误区】共有五类误区,今天我们分享第四类:舆论误区。 选自:高控盘《走出股市沙漠》
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“异相”中的人性及众生——读梅钰《十二个异相》
阅读梅钰《十二个异相》的过程中,有个问题一直萦绕脑际:一名写作者应该运笔于何处?
有如此一问,是因为太多了这样的作品:没有时代印记,凌空于社会现实,文字花里胡哨,情节玄乎其玄,但掂一掂却轻如一堆泡沫;要么就是脸谱性人物走在公式化的情节里,或是媒体语的场景化,文学的社会价值和现实意义根本无从谈起。
梅钰的笔在生活里。
医疗、教育、法律,婚姻、家庭、人生,壶口岸边的摆滩者,老街里的流浪儿,校园里迷茫的孩子,婚姻中情感错位的男女,一个个都是身边鲜活的存在。对这些鲜活人物的鲜活故事,她不是漠然的讲述者,更不是局外看客,而是置身其中的一员,用一颗感同身受的悲悯的心,在人性深处触摸,在社会厚土里开犁。
《大寒过后》,一个最底层家庭的故事。车祸致孩子成植物人,“大病”把一个家庭拖向深渊般无尽的煎熬。此种境况,是作者笔下的“这一个”,也是无数个遭遇此境的家庭的现状。围绕着孩子的拯救,家族、乡人、水滴筹中,看得见的众相纷呈,看不见的人心起伏爱心明灭都汇于笔下。
明线在写人的生死,暗线更在人性的拯救。
“拯救”是梅钰小说的魂灵所在。生命的拯救,家庭的拯救,心灵的拯救,时代的拯救……
《另一种真相》,一起貌似平常的情杀案。一波三折,似乎已经真相大白,继而又花明柳暗疑雾丛生,旋绕着的也是人性。在作者笔下,人性不是非黑即白,人生也不是一加一的简单算式,她以独有的细腻伸展着人性多元的触角,让人不觉中随行同进。
《红色曼陀罗》,围绕一个中学生被杀,展现了虚拟世界对现实生活的蚕食和侵蚀。原本是一个网络世界里的厮杀,一场无关现实的胜负,虚拟的刀却直取现实生活中的生命。
一群学生,在法律身边又远在法律之外的盲区;被教育包围又深陷教育的沙漠,被家庭无所不给的“爱”簇拥又处处被爱无视,教育的缺位,家庭的盲区,造就了一队精神沙化、情感冰点的人。文字中无不透出一种振聋发聩的声音:救救孩子!
值得一提的是,梅钰的律师身份,给她别开了一扇洞观人性和社会现实的窗,她的视窗里,是这样一种情形:
“他只将证据捏在手中,像捏着对方的命门……我是一个没有证据的女人,在爱情里断了所有退路。”
“她的爱情和婚姻不是模板,但却坐在高高的殿堂,要依自己的好恶给我们的婚姻判处死刑”。
“我想,…… 我们还有希望蕴育新生。结果法律让一个焦虑的女人代言,从她嘴里蹦出来的每一个字都写着,快点快点!我想,她在追求结案率……”结案率,各种各样的率,同各种各样的量比一起,既影响我们又与我们无关。”
……
以上出自《异相》,一起不育离婚案的故事。烟火人间的冷暖飘落于法律纹路上,变成了冰冷机械的条款。相形之下,批判的力量油然显现。
作为一名真正的作家,文字的横竖撇捺不是无生命的砖瓦木石的堆砌,而是随处可以回放人间冷暖的家园。
梅钰的文字是她放飞的一个个小精灵。
甚至不用繁冗的叙述,每个文字都在生动地推着情节走。
《大寒过后》,女主人公兰英在得知儿子“被撞了”后,是这样一种焦急与慌乱:
“她跌跌撞撞,趔趔趄趄,让苍茫的黄河滩、苍茫的夏季暴雨前的一阵又一阵季风,和她眼里新生的白内障一起,浑浊了视线。”
“大风又旋回来了,之前一边倒的雨此刻急切得毫无章法,她越看越心慌,一刻也不能等,她拔开人群,插进错乱的风雨里……风也跑,雨也跑,她也跑……”。
《异相》中,写女主人公从法庭出来无以言喻的愤懑:
“雪花劈头盖脸,……它在愤怒,像拼尽全身力气呐喊,又像伸着千手千脚捶打。”
风卷沙漫雨急浪高,劈头盖脸的雪花,是景也是人的心,人的境;所谓情景交融,借景抒情都在其中了。在这样一种情境中,人不是人物,更像裹于景中的作者自己以及每一个握书在手的读者。借助文字的和弦,故事内外的情感得以高度共鸣。
在灵动的文字世界里,动词又总生动地雀跃于前:
主人公兰英在慌乱躲避风雨的人群中,“她把自己‘挤’进公厕里”,“她拨开人群,‘插’进错乱的风雨里……”(《大寒过后》)
“中画瘦成一张纸,轻飘飘‘铺’在床上……她‘拾’起他的手,细骨头上包一层松垮垮的皮……”(《影子在死神对面》)。
“挤”、“插”、“铺”、“拾”,一个动词拨动一个场景,省去许多无谓的陈述。
以虚驭实,以点托面,言尽意存,是梅钰小说一大特色。《影子在死神对面》中,李正的妹妹作为配角着墨很少,但每每也是不可忽略的精彩所在:
“门上破旧帘子,花色被阳光吸尽了,只留一条一条肮脏的印记,可妹妹像看她的前生今世一样看它。”
一条破旧帘子,“看”的一瞬间,似乎已经道尽一个既哑又病的女孩一生的不幸。
在《指尖花开》、《劝退》、《绑架》等关于婚姻家庭的故事中,作者凭着一份独有的细腻和独到的笔力,把原本落影般斑驳抽象的心理活动写得生动具象可触可感,在无形中吸引着读者步步入胜——
“他就像空气,从未离开,但从不深入;分明存在,又无影无形。你要拿一团空气,怎么办?”
“绝望像八只脚爬虫,在身体里沿走,一步在心,一步在脑,一步蚀骨,一步伤魂。”(《劝退》)“画面总是分裂的。前一帧,他还粘着她,腻着她……后一帧,他却伸出四脚,掴她,踢她……她在上一帧与下一帧里,慢慢死去所有的思维。”(《指尖花开》)结尾同样不落窠臼。梅钰小说结局,不强行“圆满”,也不刻意“悲剧”,由此让作品充满了张力和余韵。“时间越想越快”,是《大寒过后》的落幕语,生命在“想”中复活,人性也在“想”中转暖。大寒过后是立春,一个既虚又实,既自然又社会的收尾,较之于惯常“包袱”式大结局,无疑是一抹新风。
作者简历:刘云霞,军转干部,山西省作协会员、侯马市三晋文化研究会理事。作品见于《人民日报》、《人民文学》、《解放军报》、《解放军健康》、《山西文学》、《都市》、《五台山》、《散文诗世界》等报刊,曾获人民文学征文三等奖,三次获临汾市 “五个一工程奖”。出版有文学作品集《山野》。


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