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

《晨跑有悟:时间总是在有心的人身边留下》—邹学勇.2022.8.4—认真做自己,晨跑在加速,心灵如水一样风平浪静,万物生灵在成长的途中显得格外清新,路上的脚步成了整条路上最靓的风景线,时间总是在有心的人身边留下,无论多累,多苦,多忙……时间总是像往常一样溜走,把握好当下的时光,过出不一样的生活,尽在自己内心的宁静和自然。有心的人,处处充满着力量,从细微处发现不一样的自己,清晨起来,享受最鲜的空气,感受一个人静静的时光,独自走在晨曦的路上,处处都是自然的样子,让自己在大自然中去感受当下,发现一路上的景色和心灵相辅相成,有一种无法用文字表达的感觉,用一个字来形容:爽,走在路上,无论羊肠小道,还是光明大道,各有千秋,处处皆有缘的遇见,深深地去体会,去感受……慢慢地你就会因为每一个瞬间而感动不已。有心的人,让别人放心,让万物不变心,做什么就像什么,把别人没有想到的,都想到入木三分,有心的去做事,事必有结果,有心的去待人,人人皆为缘,万物光芒保持在有心的人身边永远都是最初的样子,心的生活,保持心的生命,在生命的缝隙里去寻找真正的自己,有心之人,处处留下的都是缘分的遇到,没有心的人,处处都是碰壁的悔恨,看景生情,情更浓,幽静的心灵保持心的距离,不饱和自己的充实感,永远保持在渴望的状态,无论为人处事,知识积累,都是一股浓浓的爱意和温暖,生命里有光,处处都是美的样子,环境只是生命里的点缀,生命里的故事总是在不经意间浮现出来,走在路上,一路上有自己的声音。有心人,无时无刻都是正能量,有心的人自己会发电,充满电的能量,满身都是热气蒸腾,满身都是能量满满,在自己的行动里发现不一样的自己,有信,有心,有信心,路在前方,一切都是自然的样子,自己做好了,身边的万物都爱你一个满怀,此刻,路上遇到一群陌生的奔跑者,有领队的人在前方喊着口号,一群浪漫的人不约而同地微笑地奔跑着,我也加快了步伐,跑到了队伍末尾,感受了团队的力量,有心地感受这一瞬间,心里有说不出来的感觉,好想大喊一声:1、2、3、4……每个人在激动的时刻,总是想用呐喊声来释放,又担心生怕自己的声音打扰了这一片土地。有心的人,委屈和包容总是兼得,走在路上,突然被小石头绊倒,不要有情绪,要注意视线,做起事来,总是忙忙碌碌没头没尾,不要有情绪,要注意主次分明、有头有尾,保持有心,处处都是自己的真心,世事万物都会被心融化,跑在路上,不要怕自己姿势不好,不要怕自己被摔倒,不要不好意思……跑在路上,就需要自然的样子,做别人不同的,慢慢地通过不同走入相同的自己,心里散发出来的光芒是纯洁、善良和可爱,有心的人,说话有劲,有心的人,做事有果,事在人为,人在路上的行动,总是在最后有意想不到的结果,路在前方,总是要行动下去,才知道路的艰苦和距离,没有做的事要突破去做,保持有心才会有真心回报。完成晨跑4000步,有心人在时间里懂得惜福,懂得时间的分分秒秒,不因情绪所扰,路在前方,行动在脚下,时间总是在有心的人身边留下,路遥知马力,日久见人心,有心了,世事万物都会被融化,时间的朋友就是最好的证明,努力做好自己,自己一步一步用行动去惜福当下,感动着万物生灵。邹学勇.2022.8.4

#巡meguri#
全新设计师品牌#punkt.# 于https://t.cn/A6adSD29 ,每款均有耳夹/耳钉,参加七夕活动,敬请关注。

作者的话———————————

【Punkt.】——在德语中意为【点】。
每天晨起,我们梳妆,挑选中意的衣衫,戴上喜欢的首饰。
希望Punkt能成为让你的一天闪闪发光的【点】而伴随你。
——在海中碎裂的玻璃瓶,翻滚着度过漫长的岁月,磨平了棱角。他们或被称为海洋宝石,或被称为人鱼之泪。它们在海中航行着,一片一片变成难以言喻的美丽形状。
我不对它们进行任何打磨加工,同时利用海浪送给我的陶片,碎瓷等等,用大自然带给它们的模样,寻找最适合它们的组合用心来制作独一无二的饰品。
希望我的饰品,能为你带来幸福的每一天。


发布     👍 0 举报 写留言 🖊   
✋热门推荐
  • 一方面以审批权限下放激发区县政府活力,《管理办法》提出将城市更新项目立项、环评、用地等各环节涉及市级部门审批的事项下放至各区,同时要求辖区政府建立部门联动、项目
  • 我很乐观自信的认为:HRC是在您在建立您家庭时非常合适的(医疗)选择。(Wishing all the students that are taking the
  • 那就是老龄化危机,新生命的诞生,越来越少,这个问题不是科技能够改变的,是个社会问题,马斯克说,提高生育率应该成为大家的共识,不然人类的未来堪忧。现今,许多专家警
  • 但,人生就是如此,嘈杂反复的工作,平淡琐碎的生活,剪不断,理还乱的恩恩怨怨…… 2022,让我们许愿:让过去的,都成为过去。回望这过去的一年,内心还有一些不舍
  • 日前,成华大道(中环路至民兴路段)道路改造工程基本完工并正式通车。▲二环路起点成洛大道(二环路至三环路)道路改造工程起于二环路,止于三环路,是连接洛带片区及成安
  • 我市还建立了企业服务“直通车”市委书记朱是西建立了企业家服务微信群,群成员涵盖各县市区、市直各部门党政主要负责人和全市150余家重点企业老总、23家银行行长,有
  • 又做奇怪的梦了,还有很多细节没写进去,比如一个朋友走失了联系不上我们,我到了有信号的地方拼命给她发消息,结果到达集合地的时候她忽然就出现在我面前了。那位交素描的
  • 我更推荐中式餐品!!
  • 此前《乔家的儿女》男一号是白宇,这位90后现在也是正午阳光的御用演员《欢迎光临》中的女一号是白百何,男三号则是白宇帆,原本娱乐圈中的白姓演员就不算很多,而正午阳
  • 週末从普洱往返的路上 因为一路都是向阳花 野生的花无穷无尽 心里宁静得很 不过宁静也是相对的 我想起了句话:小隐隐于野,大隐隐于市 。谁对不起他,我都会瞬间翻
  • 就是根据第一轮我喝到的迅速做了一个排列组合,会有逻辑在里头,当然也有一点想象力。一来,我是一个从小就没什么特长的人,当然万万不敢说这就成长处了,但渐渐的会有一点
  • 2020年1月21日至2022年1月15日24时,河南省累计报告确诊病例2402例(本土2263例、境外输入139例)现有住院病例771例(本土758例、境外输
  • 又想起了钱钟书和卡夫卡的城与堡,在失去与得到间我好像并没有选择的余地,一直被命运推着走,猛然间抬头望,青春也快写到终章了合适和喜欢到底哪个更重要,理性告诉我选择
  • 原谅我的胆小怯懦 没敢去考古去年的事 227这个数字以前是我避之不及的敏感话题 但是现在我可以说227是我爱你的表现 227是我爱你第227天 227是我成
  • 入职至今,霍聿秀已经成功办理了百余起案件,在领导和同事的眼中,她是勤奋敬业刻苦钻研业务的优秀公诉人。她与工作组同志密切配合,顺利完成了案件审查把关任务,该项工作
  • 汉长城的发现与保护2010年,从金塔县博物馆传出了一条振奋人心的消息:在第3次文物普查中,金塔县北山一带发现了15段总长26公里、保存较为完好的汉长城遗址和3处
  • 《你的名字》动画里最美的画面就是黄昏之时,错位时空的人可以相见。清晨的阳光是让人憧憬未来的,夕阳的时光是让人回忆过去的。
  • 咱们小老百姓赚钱容易么!!
  • 我知道我是我们之中不得不做出最大牺牲的那个人,我也理解这一点。我知道我是我们之中不得不做出最大牺牲的那个人,我也理解这一点。
  • 接下来的漫漫旅途只希望你能走的开心,做自己想做的所有事,早日实现我置顶里你所描述的自己的终极梦想(虽然在我眼里的你已经实现了大半了)!跟物业勾结的一家现浇队伍屡