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

网友:我丈夫瞒着我把买房的700000借给别人,3年了还没要回来,我一生气就和他离了婚回娘家。过了几天,我的银行账户突然收到一笔700000的转账。心想以为是老公把钱要回来了,本想着和他复婚了,却没想到打钱给我的是一个女人。

我今年34岁,之前一直在租房。工作这些年一家人一直省吃俭用,辛苦工作,使足干劲,目的就想快点换房。我估计了一下,当我们有70万的时候就足够买房了。然而一天,我发现我们的积蓄都没有了,当我知道了真相后,发现老公已经把钱借给了别人。

当时我就问老公钱去哪里了?他支支吾吾的说不清楚。之后我就急了,他才说是借给了别人,我问他借给了谁,他也不说。我严重怀疑他把钱借给了他的女同学了,但是他就是不说也不承认借给了女同学,我搞不懂他是什么意思?

现在谁都知道,借个钱比登天还难。我爸爸生病那几年,家里面到处去借钱,才借了区区的几万块钱,而现在老公却把70万块钱轻轻松松的就借给了别人。

由此可见她和借钱人的关系非同一般,他虽然不说,但是我心里有两个猜想,一方面可能是他兄弟借的。另外一种可能就是他要好的女同学了。

诸位,那可是70万啊,不是简单的7000块钱啊。老公也向我打保证,说那笔钱在半年之内就会归还,当时也是没有其他办法了,就只好同意了。

不过让我万万没有想到的是,快要到半年期限的时候,老公却告诉我借钱的那位已经失联了,他满脸懊恼的求我原谅他,以后的事情都会听我的,并且不会自作主张把钱随便借给别人了。

听到这个消息我火冒三丈,我怎么能冷静下来,并且以我们现在的收入加上不吃不喝,至少都需要六七年的时间才有那么多钱。

回到娘家,妈说:这种男人不可靠,趁早离婚。说我现在才34岁,及时止损还有救,如果继续和他过下去的话,不说34岁,就算到了44岁还是这样?保不齐那时候你都还没有属于自己的房子。

我回头想了想,觉得妈妈说得有道理。我老公这人,性情太软了,而且是个热心肠,假如同学有事情的话,第一时间肯定想到他,而且他从来不会推脱的。但是这次借出去的70万是怎么回事我一概不知。

我很反感他的行为,但老公根本不会理会我,并总是说,谁都有遇到困难的时候,能帮一把是一把。

以前的事情我可以不计较,但这一次我真的是伤心了。我打算听妈妈的建议,离了婚回老家,老公跪下苦苦挽留我,但我的态度坚决,要么你把钱拿回来,要么就是离婚,其他没有什么可能性了。

老公无它法只好签字离婚,回到娘家心里空落落的。到了晚上,我女儿给我打电话说想我,我说我也想你,但是妈妈也没办法啊,你爸爸做的太过分了,和他一起过我看不到任何希望。

我女儿9岁了,肯定也知道发生了什么事情,她在爷爷奶奶家,有什么照顾,我还不担心。

然而,我的处境并不好,回到老家后我感觉全身不自在。我妈是和弟弟弟媳住在一起的,是个三室居的房子。

没有来娘家前,弟弟和媳妇住一间,我妈住一间,小外侄自己住一间。我的意思是让外侄和我妈住一间,我自己住一间,但外侄不同意,妈让我和她住一间。妈妈和女儿住在一间本来很正常,不过我是多大的人了啊?

我发觉这房子尽管是妈妈的,但妈妈却没有权利,一切都是弟媳说了算,我有些伤心,嫁出去的女儿果然是泼出去的水。就在这会,我的银行账户突然收到70万的转账。我心情马上就好起来了,以为老公把钱要了回来,准备打电话给他准备复婚。

不过我电话号码还没有拨,别人就给我打电话来了。

然而给我打电话的是个女人,并说那70万是她转给我的,账号是从我前夫那里得来的。她坦诚的说,我老公半年前借钱给她度过了困境,然而她万万没想到,事情并不顺利延缓了还钱的日子。她对我道了歉,还说我不是一个好妻子,仅仅为了钱就和自己的丈夫离婚。

接着她说:你抛弃的男人,我要。等她挂了电话,我犹豫了一下给我老公打电话,然而他却对我说:我马上结婚了,你保重。说完立刻挂了电话。

我搞不明白了,万万没想到离婚后他先找到归属。我心中感到后悔极了,但我自认为自己没错,前夫擅作主张把70万借给别人不告知我,我不应该生气吗?也许他和那个女儿早就有拉扯了。但是有一点我搞不懂,为什么他会把钱还给我?

做车出去办事,遇到个老头健康保查不了,据他说已经做完核酸,司机怀疑老头没做要轰他下车,他就让我拿他手机帮他查(但是在自查询那里一直让输验证码,点发送验证码 也只会提示验证码没过期,其他的没反应....)
然后我问其他人会不会弄这种情况,然后车里没一个人理我,最后老头还是被赶下车了.......
呃呃呃呃,我为什么不会帮他搞啊,感觉良心不安,纠结一早上


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