粒子物理学停滞不前的噩梦该怎样打破?

作者: 叶凌远

来源: 返朴

发布日期: 2022-08-06 08:08:32

本文讨论了粒子物理学在希格斯玻色子发现后面临的挑战和未来的发展方向。尽管大型强子对撞机已经升级并准备进行新一轮实验,但物理学家们对新粒子的发现持谨慎态度。文章还提到了标准模型的局限性和对未来更高能量对撞机的需求。

粒子物理学停滞不前的噩梦该怎样打破?除非欧洲大型强子对撞机能带来惊喜,否则粒子物理可能会无奈地走到尽头。十年前,粒子物理学家让整个世界为之振奋。欧洲核子研究组织的大型强子对撞机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,他们发现了希格斯玻色子的踪迹。

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。

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。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。

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。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。大型强子对撞机本应打破这一僵局。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。

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。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。

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,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。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。

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