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

时光荏苒,沧海桑田,仿佛从来没变过。

人生更多时候,需要的不是一梦繁华,而是来自灵魂深处的,一份静谧之美。

古人以冬为三余。

予谓当以夏为三余:

晨起者,夜之余;夜坐者,昼之余;

午睡者,应酬人事之余。

古人诗云"我爱夏日长。"

春听鸟声,夏听蝉声,

秋听虫声,冬听雪声;

白昼听棋声,月下听箫声;

山中听松声,水际听欸乃声,

方不虚生此耳。

读经宜冬,其神专也;

读史宜夏,其时久也;

读诸子宜秋,其致别也;

读诸集宜春,其机畅也。

春风如酒,夏风如茗,

秋风如烟,冬风如姜芥。

花不可以无蝶,山不可以无泉,

石不可以无苔,水不可以无藻,

乔木不可以无藤萝,人不可以无癖。

水之为声,有四:

有瀑布声,有流泉声,有滩声,有沟浍声。

风之为声,有三:

有松涛声,有秋叶声,有波浪声。

雨之为声,有二:

有梧叶荷叶上声,有承檐溜竹筩中声。

山之光,水之声,月之色,花之香,

文人之韵致,美人之姿态,

皆无可名状,无可执着。

真足以摄召魂梦,颠倒情思。

少年读书,如隙中窥月;

中年读书,如庭中望月;

老年读书,如台上玩月。

皆以阅历之浅深,为所得之浅深耳。

所谓美人者:

以花为貌,以鸟为声,

以月为神,以柳为态,

以玉为骨,以冰雪为肤,

以秋水为姿,以诗词为心。

吾无间然矣。

种花须见其开,待月须见其满,

著书须见其成,

美人须见其畅适,方有实际。

否则皆为虚设。

月下谈禅,旨趣益远;

月下说剑,肝胆益真;

月下论诗,风致益幽;

月下对美人,情意益笃。

笋为蔬中尤物,荔枝为果中尤物,

蟹为水族中尤物,酒为饮食中尤物,

月为天文中尤物,西湖为山水中尤物,

词曲为文字中尤物。

梅令人高,兰令人幽,

菊令人野,莲令人淡,

春海棠令人艳,牡丹令人豪,

蕉与竹令人韵,秋海棠令人媚,

松令人逸,桐令人清,柳令人感。

艺花可以邀蝶;垒石可以邀云;

栽松可以邀风;贮水可以邀萍;

筑台可以邀月;种蕉可以邀雨;

植柳可以邀蝉。 

有工夫读书,谓之福;

有力量济人,谓之福;

有学问著述,谓之福;

无是非到耳,谓之福;

有多闻、直、谅之友,谓之福。

对渊博友,如读异书;

对风雅友,如读名人诗文;

对谨饬友,如读圣贤经传;

对滑稽友,如阅传奇小说。

酒可以当茶,茶不可以当酒;

诗可以当文,文不可以当诗;

曲可以当词,词不可以当曲;

月可以当灯,灯不可以当月;

笔可以当口,口不可以当笔;

婢可以当奴,奴不可以当婢。

天下无书则已,有则必当读;

无酒则已,有则必当饮;

无名山则已,有则必当游;

无花月则已,有则必当赏玩;

无才子佳人则已,有则必当爱慕怜惜。

居城市中,当以画幅当山水,

以盆景当苑囿,以书籍当朋友。

楼上看山,

城头看雪,灯前看月,

舟中看霞,月下看美人,

另是一番情境。

赏花宜对佳人;

醉月宜对韵人;

映雪宜对高人。

风流自赏,只容花鸟趋陪;

真率谁知,合受烟霞供养。

我不知我之前生当春秋之季,

曾一识西施否;

当典午之时,曾一看卫玠否;

当义熙之世,曾一醉渊明否;

当天宝之代,曾一睹太真否;

当元丰之朝,曾一晤东坡否。

千古之上相思者,不止此数人,

而此数人则其尤甚者,故姑举之以概其余也。

凡事不宜刻,若读书则不可不刻;

凡事不宜贪,若买书则不可不贪;

凡事不宜痴,若行善则不可不痴。

藏书不难,能看为难;

看书不难,能读为难;

读书不难,能用为难;

能用不难,能记为难。

善读书者,无之而非书:

山水亦书也,

棋酒亦书也,花月亦书也。

善游山水者,无之而非山水:

书史亦山水也,

诗酒亦山水也,花月亦山水也。

鸟声之最佳者,画眉第一,

黄鹂、百舌次之。

然黄鹂、百舌,世未有笼而畜之者,

其殆高士之俦,可闻而不可屈者耶。

「空山无人,水流花开」二句,

极琴心之妙境;

「胜固欣然,败亦可喜」二句,

极手谈之妙境;

「帆随湘转,望衡九面」二句,

极泛舟之妙境;

「胡然而天,胡然而帝」二句,

极美人之妙境。

十亩之宅,五亩之园,

有水一池,有竹千竿。

勿谓土狭,勿谓地偏。

可以容膝,足以息肩。

有堂有庭,有桥有船,

有书有酒,有歌有弦。

有叟在中,白发飘然。

识分知足,外无求焉。

如鸟择木,始务巢安。

如龟居坎,不知海宽。

灵鹤怪石,紫菱白莲;

皆我所好,尽在吾前。

时饮一杯,或吟一篇;

妻孥熙熙,鸡犬闲闲。

优哉游哉,吾将终身于其间。

世间风雅,莫过与此。


#TFBOYS[超话]##tfboys成立九周年快乐#

从出道开始就关注他们,一开始只觉得新奇,明明和我差不多的年纪,竟然可以站在大舞台上;明明没比我大几岁,居然就要面对长时wb。那时我更多的是不解,为什么大家要用edcl的语言去rm十几岁的孩子。

《青春修炼手册》是很多人的童年,一经发行便以传唱度极高的趋势火遍大江南北,次年在全班的要求下,我们在六一儿童节表演了这首歌。

随着年龄的增长,我发现我并不是一时兴起,跟风喜欢关注他们,我从小对任何事物或人永远只保持三分钟热度,可我却越来越喜欢他们,任何的风吹草动都可以牵动我的心,由于其它原因,我并不能及时的了解到他们的消息,只能从同学朋友的只言片语中拼凑,即便如此我也一如既往的关注喜欢他们。

再后来,我拥有了属于自己的第一部手机,我欣喜若狂,心里想的是终于可以跟上大家的步伐了,可是等待我的却是越来越冷淡的微博、越来越敷衍的文案、越来越少的合体、以及不能互提的他们。

即便是这样,我也一直默默关注喜欢他们,周围的朋友总是说我是追星脑,可是谁又能明白这是活生生的青春,也是在无数个日夜,无数个崩溃的瞬间给予我力量的支柱。

十年之约我一直记得,七周年的线上演唱会大家都能理解,可是八周年的剪辑视频,九周年的杳无音讯。让我开始害怕,惊慌,我怕等来的不是盛大的十年,而是解体的消息,我怕我这些年所坚持的不过是浮华一梦。

到现在我仍旧记得,刚出道那会儿,我妈跟我说:“他们好像小虎队,也是三个人,可惜解散了。”我拍着胸脯自豪的说:“不会的,我的偶像这么优秀,有这么多人喜欢着他们,是不会解散的!”前几个月,我妈突然问我:“最近怎么都没有他们的消息,是不是解散了?”当时我愣住了,看着我妈,底气不足的说:“不会的,他们现在长大了,忙的事多了。”说着说着泪水就糊住的眼睛。

到此我并不是想说什么失望脱粉的话,我只是想说只要你们不放弃我们,我们也会一直在你们的身后支持你们,与你们并肩前行!


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