碰撞的哲學(xué)——搜尋粒子蹤跡有新招

■ 宋宜真

讓粒子對撞的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是歐洲核子研究組織的閃耀新星。大型強(qiáng)子對撞機(jī)會(huì)不會(huì)撞出暗物質(zhì)、微型黑洞或其他奇特物質(zhì)，尚在未定之?dāng)?shù)。但無論如何，要想預(yù)測最后出現(xiàn)的東西為何，都是一項(xiàng)絕頂困難的任務(wù)?，F(xiàn)在，有一種方法可以分析對撞后的數(shù)據(jù)，協(xié)助物理學(xué)家確認(rèn)他們沒有遺漏掉重要訊息，只是這個(gè)方法尚未獲得普遍認(rèn)可。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)和其他加速器（例如美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)）都是將質(zhì)子或其他粒子加速到接近光速后再對撞。根據(jù)愛因斯坦的E＝mc2公式，部分對撞的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為稀有的重粒子，然后幾乎都會(huì)立即衰變?yōu)樯习賯€(gè)一般粒子（已辨認(rèn)出其中幾十種不同的類型）。大型強(qiáng)子對撞機(jī)的大型偵測器會(huì)記錄這些撞擊碎片的行進(jìn)路徑，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。這些大型偵測器的運(yùn)算速度非常驚人，相當(dāng)于在1秒內(nèi)計(jì)算完整個(gè)光盤的容量。

在這些衰變產(chǎn)物的數(shù)據(jù)中，物理學(xué)家也會(huì)針對可能生成新粒子的部分進(jìn)行搜尋。他們會(huì)找尋希格斯玻色子的信號(hào)（根據(jù)物理學(xué)家的預(yù)測，這種粒子會(huì)賦予其他粒子質(zhì)量。不過截至目前都還沒找到），以及有可能出現(xiàn)在更高能物理定律中的新粒子。

但有些人擔(dān)心，這種傳統(tǒng)方式跟逐步搜尋“?！薄ⅰ案瘛?、“斯”三個(gè)字來進(jìn)行計(jì)算機(jī)運(yùn)算沒什么不一樣，最后可能還是會(huì)遺漏一些有趣、未曾預(yù)料的新信息。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的可努特森和馬瑞納，這些年來則不斷提倡一種更為全面的“全方位搜尋”方法。他們找尋的并非單一信號(hào)，而是以程序分析所有數(shù)據(jù)之后，與標(biāo)準(zhǔn)模型（包含了整套粒子物理的定律）的預(yù)測進(jìn)行比較。軟件會(huì)標(biāo)示出所有偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)，表示這里有可能出現(xiàn)新的粒子。若拿文字搜尋的計(jì)算機(jī)演算來比擬，這種方式不是在文字中尋找特定字，而是先搜尋出所有字典中沒有的字，然后再標(biāo)示出其中看起來可能是生字的字。

為了將錯(cuò)誤率降至最低（有時(shí)候一般粒子會(huì)有模仿其他新粒子的行為），物理學(xué)家設(shè)下了一個(gè)門檻，他們只觀察發(fā)生次數(shù)高過這個(gè)門檻的特異事件，因?yàn)檫@些比較可能出現(xiàn)新粒子?？膳厣f：“我們會(huì)觀看許多不同的位置，然后都算進(jìn)去。”

可努特森和馬瑞納等人將這個(gè)方法應(yīng)用在正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)得出的舊數(shù)據(jù)。原則上，可能有些奇特的粒子是在之前目標(biāo)導(dǎo)向的搜尋中沒找到的，但最后他們的團(tuán)隊(duì)沒有發(fā)現(xiàn)任何統(tǒng)計(jì)上相關(guān)的特異現(xiàn)象，因此宣布沒有新發(fā)現(xiàn)，不過這項(xiàng)工作至少說明一件事：運(yùn)用全方位搜尋，未必會(huì)如某些學(xué)者擔(dān)心的那樣導(dǎo)致眾多錯(cuò)誤結(jié)果?？膳厣硎?，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也是目前為止對標(biāo)準(zhǔn)模型最嚴(yán)格的測試，而他在該實(shí)驗(yàn)之后便不再使用目標(biāo)導(dǎo)向的搜尋方式。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在2009年1月的《物理評論D》上。