重啟大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

謝懿

忘了希格斯粒子吧?，F(xiàn)在，我們要去尋找現(xiàn)實(shí)的根源。在為期2年的改造之后， 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將重新煥發(fā)活力，去探測(cè)那些更為另類的粒子。就像地平線上閃閃發(fā)光的海市蜃樓，這是一片把我們和希望之地隔開的巨大“沙漠”。在這片希望之地上充滿了答案，在那里我們將獲得對(duì)現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)世界的完全認(rèn)識(shí)。

別做夢(mèng)了：我們無(wú)法去往這個(gè)天堂。穿越“沙漠”的道路太過(guò)漫長(zhǎng)而炎熱，沒有車能帶我們?nèi)サ侥抢铩２贿^(guò)，物理學(xué)家的這一愿望正在得以實(shí)現(xiàn)：有一臺(tái)機(jī)器剛剛從2年的沉睡中醒過(guò)來(lái)，它可以讓我們邁出決定性的一步，甚至可能揭示出距離我們較近的答案。

它就是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），坐落在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心。這臺(tái)

威力最大的粒子對(duì)撞機(jī)因其在2 0 1 2年發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子而威名遠(yuǎn)播?，F(xiàn)在，它將去探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一片未知的區(qū)域，而我們目前有關(guān)物質(zhì)及其相互作用的最好理論便是標(biāo)準(zhǔn)模型。

粒子物理學(xué)家用能量來(lái)進(jìn)行度量。通過(guò)愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E = mc2，以高速相互

撞擊的粒子會(huì)把它們的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成巨大的能量，后者反過(guò)來(lái)會(huì)形成更大的其他質(zhì)量粒子。

我們的宇宙始于一次高溫高密的大爆炸，因此通過(guò)加速粒子獲得的碰撞能量越高，我們

就越接近宇宙和物質(zhì)本身的起源。

通過(guò)這一方式，LHC 以及此前的對(duì)撞機(jī)已讓我們開始探測(cè)和研究標(biāo)準(zhǔn)模型。這個(gè)理論

描述了構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子，即輕子和夸克，以及負(fù)責(zé)承載三種基本作用力——電磁力、

弱核力和強(qiáng)核力——的粒子。

這一理論至高無(wú)上的榮耀是希格斯玻色子。這個(gè)粒子代表了一種無(wú)處不在的無(wú)形實(shí)

體——希格斯場(chǎng)，正是與它的相互作用使得所有其他基本粒子獲得了質(zhì)量。對(duì)解釋早期

宇宙中的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻而言，希格斯玻色子是必不可少的。最初，電磁力和弱核力同屬統(tǒng)

一的弱電力，直到在大爆炸后1 0-1 2秒希格斯場(chǎng)開啟。它的出現(xiàn)打破了力的對(duì)稱性，賦予承載基本作用力的粒子以不同的質(zhì)量。自此，由無(wú)質(zhì)量光子承載的電磁力可以作用于無(wú)窮遠(yuǎn)的距離，由大質(zhì)量W 和Z 玻色子承載的弱核力則被限制在了亞原子的尺度上。

完整但不完全

早在1 9 6 4年，希格斯場(chǎng)的存在就已經(jīng)被預(yù)言，但發(fā)現(xiàn)它需要達(dá)到LHC擁有的能量：質(zhì)子之間迎頭撞擊產(chǎn)生8萬(wàn)億電子伏特的能量。在當(dāng)時(shí)，即便假設(shè)它確實(shí)存在，理論物理學(xué)家也不能確定希格斯玻色子的質(zhì)量應(yīng)該有多大。不過(guò)，這是個(gè)“旱澇保收”的局面：即使被證明僅僅是個(gè)數(shù)學(xué)幻象，它也將促使標(biāo)準(zhǔn)模型得到修改并從頭再來(lái)。

最終，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)難以捉摸的粒子具有1 2 5 0億電子伏特的質(zhì)量，處于LHC 的能

量范圍之內(nèi)。理論物理學(xué)家被證明是正確的。2 0 1 3年1 0月，希格斯玻色子理論的兩位先驅(qū)弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

不過(guò)，這里還有一個(gè)問(wèn)題：雖然標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)完整，但它是不完全的。這個(gè)理論并不包含暗物質(zhì)。這是一個(gè)相當(dāng)大的疏漏，畢竟根據(jù)對(duì)星系運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)，這些不可見的物質(zhì)占

據(jù)了宇宙中所有物質(zhì)質(zhì)量的8 5%。它也沒有告訴我們正常物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微小不平

衡最終是如何讓正常物質(zhì)充滿整個(gè)宇宙的。對(duì)宇宙中的第四種基本作用力引力，它更是保

持著沉默。

在更為技術(shù)的層面上，為了使其奏效，標(biāo)準(zhǔn)模型依賴于一系列任意的常數(shù)。希格斯玻

色子僅僅是一個(gè)例子，它的質(zhì)量不過(guò)是標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法預(yù)言的眾多物理量之一，只能通過(guò)實(shí)

驗(yàn)來(lái)測(cè)定。這個(gè)模型還有一些讓人不快的地方：它認(rèn)為希格斯玻色子會(huì)與大質(zhì)量粒子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它獲得高達(dá)至少1 08萬(wàn)億電子伏特的能量。

絕大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型只是一個(gè)更宏大理論的一部分，后者可以讓我們統(tǒng)

一所有的基本作用力，并了解在所有能標(biāo)下的物質(zhì)。問(wèn)題是，雖然精確的預(yù)言各不相同，但最合理的猜測(cè)是作用力的統(tǒng)一只出現(xiàn)在1 01 2萬(wàn)億電子伏特及以上的能標(biāo)下。它最后一次出現(xiàn)是在宇宙誕生后的一瞬間，即大爆炸之后1 0-3 6秒之內(nèi)。

地球上沒有任何加速器可以達(dá)到這么高的能量。因此，在我們和不可及的希望之地中間隔著一個(gè)巨大的“沙漠”，這使得LHC 即使能把碰撞能量升級(jí)到1 3萬(wàn)億電子伏特也顯得相當(dāng)蒼白。但事實(shí)并非如此。如果新一代理論中受青睞的候選者是正確的，那么我們即將步入的這一新疆域會(huì)包含新的粒子和現(xiàn)象，它們將幫助我們向最終的答案邁出決定性的一步。

受到垂青的是超對(duì)稱理論。超對(duì)稱理論問(wèn)世于2 0世紀(jì)7 0年代，是第一個(gè)“大統(tǒng)一理

論”，把弱電和強(qiáng)核力綜合了起來(lái)。為了做到這一點(diǎn)，它引入了一大批超粒子，每一種已知的粒子都具有一個(gè)質(zhì)量更大的超對(duì)稱伙伴粒子，這些伙伴粒子中的一些可能就位于LHC 可以探測(cè)的能標(biāo)上。如果LHC 能發(fā)現(xiàn)新粒子的信號(hào)，那整個(gè)理論界都會(huì)為之瘋狂。

最輕的超粒子不僅僅提供了一個(gè)極好的暗物質(zhì)候選體，它們還能自然地消除麻煩的量

子漲落，使得希格斯玻色子的質(zhì)量不至于失控。探測(cè)器很有可能看不到暗物質(zhì)的超對(duì)稱粒

子，但它們會(huì)在配平能量和動(dòng)量時(shí)留下空缺。不過(guò)，在一般情況下，超對(duì)稱粒子都會(huì)以可

預(yù)知的方式衰變成更輕的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，從而被探測(cè)到。

超對(duì)稱理論受到理論物理學(xué)家的鐘愛，所有人都渴望捕捉到它的一絲線索，因此在數(shù)

據(jù)分析的過(guò)程中需要格外小心，以防過(guò)度的熱情影響到最后的判斷。一旦科學(xué)家確信LHC 和分析軟件可以平穩(wěn)運(yùn)行，其數(shù)據(jù)就會(huì)被“遮蔽”——在積累到足夠的數(shù)據(jù)之前，用來(lái)分析數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)不會(huì)輸出任何計(jì)算結(jié)果，以免標(biāo)準(zhǔn)模型的過(guò)程被誤讀為新的現(xiàn)象。

要確認(rèn)一個(gè)異常現(xiàn)象是全新的物理學(xué)結(jié)果，它必須同時(shí)出現(xiàn)在L H C 的兩大實(shí)驗(yàn)裝

置——超環(huán)面儀器（A T L A S）和緊湊μ 子線圈（CMS）——的數(shù)據(jù)中，就像發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子時(shí)的情況一樣。

當(dāng)然，這一切或許根本不會(huì)發(fā)生。在一個(gè)完美超對(duì)稱的世界中，超粒子具有和其伙伴

粒子完全相同的質(zhì)量，應(yīng)該在很久以前就被探測(cè)到了。理論物理學(xué)家認(rèn)為，就像弱電力一

樣，超對(duì)稱被“破壞”了，使得超粒子的質(zhì)量會(huì)大得多。然而，如果它們的質(zhì)量太大，就無(wú)法用來(lái)解決一些現(xiàn)有的問(wèn)題，例如希格斯玻色子的質(zhì)量、暗物質(zhì)以及基本作用力的統(tǒng)一。

在LHC 的首次運(yùn)轉(zhuǎn)中并沒有發(fā)現(xiàn)超粒子，這一事實(shí)已經(jīng)限制了最簡(jiǎn)單超對(duì)稱理論及其

變體的生存空間。許多理論物理學(xué)家表示，LHC 未來(lái)幾年的數(shù)據(jù)會(huì)決定他們是否需要向超

對(duì)稱說(shuō)再見。如果LHC 什么也沒有發(fā)現(xiàn)，將表明我們對(duì)高能標(biāo)上的物理學(xué)其實(shí)一無(wú)所知。

在物理學(xué)家尋找解決超對(duì)稱難題答案的同時(shí)，引力仍然是一個(gè)棘手的問(wèn)題。一般的觀

點(diǎn)認(rèn)為，在LHC 可探測(cè)的能標(biāo)上，連看到引力被統(tǒng)一的一丁點(diǎn)跡象都是不可能的。引力要

比其他三種基本作用力弱得多（強(qiáng)度小了約4 0個(gè)數(shù)量級(jí)），它只有在1 01 6萬(wàn)億電子伏特的能量上才可能被統(tǒng)一。這一能量幾乎與大爆炸本身相當(dāng)。

1 9 9 8年，理論物理學(xué)家提出了一種新的可能性。假如我們的世界存在于一張三維空間膜上，而這張三維膜又飄浮在一個(gè)維數(shù)更高的空間中，情況會(huì)怎樣？引力可以滲透到所有的維度中，但在我們的三維空間中它看上去就像被“稀釋”了，顯得極弱。如果真是這樣，引力的真正強(qiáng)度會(huì)使得統(tǒng)一基本作用力的希望之地位于更加靠近我們的地方，甚至就在LHC可及的范圍之內(nèi)。因此，“沙漠”將不再是沙漠，而是充滿了許多奇怪的東西，例如迷你黑洞。在LHC中，粒子的劇烈碰撞有可能會(huì)扭曲時(shí)空，從而形成迷你黑洞。它們會(huì)以極其特殊的方式衰變成大量我們更為熟悉的粒子。

不過(guò)，即使是類似的事件也可能會(huì)因能量過(guò)高而無(wú)法被直接探測(cè)到，但由此產(chǎn)生的粒

子興許會(huì)影響較低能標(biāo)中的粒子，從而被探測(cè)到。在LHC 和先前對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)中確實(shí)潛伏著一些不明原因的現(xiàn)象，在重啟之后這些現(xiàn)象是否真的存在會(huì)變得日益明朗。即便存在這樣一些微小的效應(yīng)，但并不一定意味著就是新的粒子。理論物理學(xué)家可以提出各種各樣的假說(shuō)來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，讓他們興奮的并不在于證明這個(gè)或者那個(gè)假說(shuō)，而恰恰是前方

的未知。相對(duì)希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，肯定還有更為廣闊的各種可能性。

因此，LHC 即將探索的是一片滿是粒子的林地，它將帶給我們有關(guān)前方沙漠以及更遙

遠(yuǎn)地方的線索。若什么也沒有發(fā)現(xiàn)，那我們就將停滯不前，沒有任何有關(guān)下一步該如何前行的線索，對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)模型為什么會(huì)是這樣”的問(wèn)題也不會(huì)有任何“自然”的解釋。如果真是這樣，那物理學(xué)家只能假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型是某種怪異精調(diào)和奇怪巧合的結(jié)果。也許我們的標(biāo)準(zhǔn)模型只是無(wú)數(shù)種其他可能性中的一個(gè)，我們的宇宙也只是無(wú)數(shù)種可能的宇宙之一。或許只有能達(dá)到更高能標(biāo)的機(jī)器才能回答這個(gè)問(wèn)題。

但在此期間，讓我們跟隨升級(jí)后的LHC，無(wú)論它把我們帶往何方。那里也許是一個(gè)遙不

可及的國(guó)度，但可以肯定的是，它將遠(yuǎn)不止是希格斯玻色子和一大堆懸而未決的問(wèn)題。

更快、更高、更強(qiáng)

升級(jí)后的LHC 不僅能制造出能量更高的粒子碰撞，還會(huì)把數(shù)據(jù)的采集率翻倍，達(dá)到每秒千兆字節(jié)。進(jìn)一步的升級(jí)則在籌劃中，LHC 目前采集的所有數(shù)據(jù)將只是其2 0年工作壽命

總數(shù)據(jù)量的1%。

LHC 重啟后的第一件事情就是通過(guò)校準(zhǔn)和測(cè)試已知的物理學(xué)現(xiàn)象，來(lái)檢查其兩大多用

途探測(cè)器ATLAS 和CMS 是否能正常處理這么龐大的數(shù)據(jù)流。再現(xiàn)希格斯玻色子并精確測(cè)量

它的性質(zhì)，尤其是它是如何與其他粒子（例如頂夸克以及W和Z 玻色子）相互作用的，是首

要的任務(wù)。

在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之后，有一些跡象表明它衰變成光子對(duì)的速率是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言

的2倍，不過(guò)這還需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)佐證。目前的共識(shí)是，希格斯玻色子符合由標(biāo)準(zhǔn)模型做出的每一個(gè)預(yù)測(cè)。也許更多的數(shù)據(jù)會(huì)暗示一些更有趣的事情，例如希格斯玻色子不是一種粒子，而是一系列粒子。無(wú)論在何種情況下，用升級(jí)后的LHC來(lái)重新審視標(biāo)準(zhǔn)模型都是極為重要的。標(biāo)準(zhǔn)模型下的粒子過(guò)程將構(gòu)成一個(gè)期望的背景，在這一背景之上的任何異?，F(xiàn)象都有可能是新物理學(xué)的體現(xiàn)。

物理學(xué)家既需要確認(rèn)在更高的能標(biāo)之下標(biāo)準(zhǔn)模型依然成立，同時(shí)也想證明我們能夠?yàn)?/p>

探測(cè)新物理學(xué)預(yù)言建立起主要的背景模型。只有這樣，探測(cè)下一代的新理論，例如超對(duì)稱理論，才能真正變得可行。