編者按：今年對于戰(zhàn)斗在物理最前線的科學(xué)家們可謂是步履維艱的一年。在暗物質(zhì)探測器無功而返后，近日，人類史上最貴的科研裝置之一，歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的實驗結(jié)果同樣令人失望，并沒有讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)可能的新粒子。
無論愛因斯坦信不信“上帝會擲骰子”，至少人類這兩場大手筆的“出千行動”在上帝的賭桌前一無所獲。
失敗固然是成功之母，但是只有成功才能通向下一個成功，高能物理界的科學(xué)家們需要在理論上分析原因，調(diào)整參數(shù)，然后再次實驗，直到有一個定論位置。而在這之前，恐怕要在“噩夢”里煎熬一陣吧。
Quanta Magazine也專門發(fā)文詳細(xì)報道分析了整個事件，帶大家走近這些常年和各種不為人知的粒子們玩耍的高能物理學(xué)家，看看他們將如何面對這樣一個“一無所獲”的結(jié)果。
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物理學(xué)家們正處在“噩夢”一般的尷尬處境：最新的強(qiáng)子碰撞試驗的結(jié)果是：Nothing New！啥新發(fā)現(xiàn)都沒有，莫非要被炒魷魚？
歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的物理學(xué)家們利用前所未有的高能量發(fā)起了對自然基本組成的又一次探索。然而，他們的發(fā)現(xiàn)是令人震驚的，因為最終的結(jié)論是：沒有任何新發(fā)現(xiàn)！
30年前，人們開始設(shè)想這一巨大工程時，一定沒有人預(yù)料到會有今天這個尷尬的結(jié)果。
2015年12月實驗數(shù)據(jù)中顯示的、轟動學(xué)術(shù)界一時的“雙光子粒子”在最新的實驗中消失了，這也意味著2015年的“明星粒子”并不是人們期待已久的、可能帶來物理學(xué)變革的新基本粒子，而僅僅是統(tǒng)計波動的結(jié)果。
實際上，長期以來主導(dǎo)粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”雖然并不完整，對撞機(jī)運(yùn)行了這么多年也沒有找出任何超越標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的新粒子。在對撞產(chǎn)生的殘骸中，物理學(xué)家沒有找到暗物質(zhì)的跡象，沒有希格斯玻色子的兄弟姐妹，沒有額外維度存在的痕跡，沒有輕子夸克。
更重要的是，人們苦苦追尋的超對稱粒子也沒有出現(xiàn)。這種粒子能夠剔除標(biāo)準(zhǔn)模型公式的冗余項，并滿足“自然性”，其重要性在于它揭示著我們所在宇宙的運(yùn)行規(guī)律。
“整整30年我們都期待這一天的到來，到頭來卻發(fā)現(xiàn)我們當(dāng)初的預(yù)測沒一個是對的，”新澤西州普林斯頓高級研究所的物理學(xué)教授尼馬·阿爾卡尼 - 哈米德（Nima Arkani-Hamed）說。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）成環(huán)形結(jié)構(gòu)，總長度約為27公里。超環(huán)面儀器(ATLAS)和緊湊μ子線圈(CMS)分別坐落在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的6點鐘方向和12點鐘方向，是大型強(qiáng)子對撞器所配備的七大粒子探測器中的兩臺，每臺探測器的實驗團(tuán)隊都在3000人以上。
最新升級的對撞機(jī)系統(tǒng)可以提供將近升級前2倍的能量。它給碰撞的質(zhì)子提供高達(dá)13萬億電子伏特（TeV）的能量，相當(dāng)于給單個質(zhì)子自身13000倍的質(zhì)量。在如此高能量的碰撞下，物體只能以基本粒子的形式存在。
在過去的三個月里，這兩只探測器團(tuán)隊日以繼夜的分析著對撞機(jī)實驗得到的海量數(shù)據(jù)，并于日前在芝加哥舉行的國際高能物理大會上發(fā)布了這一“毫無新意”的實驗結(jié)果，引發(fā)一片嘩然。
截止目前，沒有任何新粒子的發(fā)現(xiàn)，其中最讓人傷心的是“雙光子粒子”的消失。過去有超過500篇理論物理學(xué)論文預(yù)測這一粒子的存在，該“光子對”也一度出現(xiàn)在去年13兆電子伏特的試驗結(jié)果中。關(guān)于雙光子粒子在最新實驗中消失的消息于今年6月初泄露，進(jìn)而引發(fā)了物理學(xué)界的“雙光子危機(jī)”。
馬里蘭大學(xué)的理論物理學(xué)家拉曼（Raman Sundrum）表示：“我們一度相信雙光子粒子的出現(xiàn)照亮了粒子物理的未來。然而，一夜之間我們又回到了最初的起點?！?/p>
新物理現(xiàn)象的缺失加深了2012年的危機(jī)。強(qiáng)子對撞機(jī)的第一輪試驗中人們就發(fā)現(xiàn)，8TeV的能量不會產(chǎn)生任何超出標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的新物理現(xiàn)象（那一年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，而非它的擴(kuò)展）。
現(xiàn)在仍然有人希望著今年晚些時候，或者明年什么時候就會有新基本粒子的發(fā)現(xiàn)來結(jié)束這場危機(jī)。亦或是隨著統(tǒng)計數(shù)據(jù)的增加，保不準(zhǔn)一些已知粒子的細(xì)微變化可以從側(cè)面印證新粒子的存在。
然而，越來越多的理論物理學(xué)家接受這一次的“噩夢論”，在這一次的強(qiáng)子對撞實驗里，我們什么也沒發(fā)現(xiàn)。
一些理論物理學(xué)家坦言，現(xiàn)在已經(jīng)是整個學(xué)界需要對“nothing”做出解釋的時候。新基本粒子的缺失一定程度上意味著一直以來我們信以為真的物理學(xué)法則可能是不完美的。拉曼說：“人們總是希望用‘自然性’來解釋一切，但或許這次的‘自然性’的缺失才是真正的重大發(fā)現(xiàn)”。
繩子的那一頭是什么？
物理學(xué)家們之所以認(rèn)定現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整，是因為極為關(guān)鍵的希格斯玻色子極為不尋常的質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)模型的方程中，希格斯玻色子與很多其它粒子相耦合。這一耦合場賦予了粒子質(zhì)量，然后粒子的質(zhì)量反過來作用于希格斯質(zhì)量的大小，就像拔河比賽中的你來往。
一些“拔河選手”異常強(qiáng)壯，例如有一些假說粒子，如果加上重力的作用，可以產(chǎn)生高達(dá)一億億兆電子伏特的希格斯質(zhì)量。
然而這種粒子的質(zhì)量卻只有0.125兆電子伏特。仿佛繩子另一邊也有一位異常強(qiáng)大的競爭者，雙方始終處于平局。這一現(xiàn)象看起來十分詭異，除非我們能解釋為什么競爭的雙方總是勢均力敵。
圖中為加利福尼亞理工學(xué)院的瑪利亞女士。圖片拍攝于歐洲強(qiáng)子對撞機(jī)CMC檢測器的控制室，她說：“盡管很多人都在討論‘噩夢說’，對于實驗主義著來說，我們不相信宗教，只信事實?！?/p>
理論物理學(xué)家于19世紀(jì)80年代初提出了“超對稱理論”來解釋上述現(xiàn)象。根據(jù)超對稱理論，每一個“費米子”，例如電子或夸克等可以增加希格斯質(zhì)量的粒子，都會有相對應(yīng)的“玻色子”來抵消希格斯質(zhì)量的增加。通過這一機(jī)制，拔河的競爭者都有一位勢均力敵的對手，希格斯立場處于穩(wěn)定狀態(tài)。
理論物理學(xué)家還提出了別的理論來解釋這種平衡，但是超對稱理論似乎更勝一籌：該理論下的三種量子力（電磁力、強(qiáng)力和弱力）在高能量下完美匹配，意味著它們在宇宙形成之初是統(tǒng)一的整體。
該理論還暗示著一種惰性穩(wěn)定物質(zhì)的存在，其質(zhì)量正好與暗物質(zhì)的質(zhì)量一致。
“我們早就完全解決了這個問題”，CMC檢測器成員、加利福尼亞理工學(xué)院粒子物理學(xué)家瑪利亞說：“對于我們這一代人，超對稱理論就是標(biāo)準(zhǔn)的教科書式答案。即便它還沒有被實驗證明，所有人都相信它的存在”。
所以可想而知，當(dāng)已知粒子的“超對稱搭檔”遲遲沒有出現(xiàn)時人們是多么地驚訝。首先是上世紀(jì)90年代的大型正負(fù)電子對撞機(jī)，之后是90年代及20世紀(jì)初的一萬億電子伏加速器，到現(xiàn)如今的強(qiáng)子對撞機(jī)。
隨著對撞機(jī)的能量越來越高，已知粒子和對應(yīng)假想超對稱粒子之間的差距也越來越大，因為后者必須擁有更大的質(zhì)量來躲避探測系統(tǒng)。最終，超對稱機(jī)制不再成立，粒子和超對稱粒子的希格斯質(zhì)量無法抵消，超對稱理論也就無法解決自然性問題。
一些專家認(rèn)為，我們早已經(jīng)跨過了導(dǎo)致超對稱理論失效的能量點。另一些對于特定因素設(shè)想更為靈活的專家也表示，超對稱理論正在失效，因為ATLAS和CMS排除了質(zhì)量小于1TeV的標(biāo)量頂夸克，它是質(zhì)量為0.137TeV的頂夸克的超對稱粒子。這已經(jīng)在頂夸克和標(biāo)量頂夸克的希格斯拔河中造成6倍的不平衡。即使存在大于1TeV的標(biāo)量頂夸克，它對希格斯子的作用也過強(qiáng)，超出了該理論可以解決的范疇。
“我覺得1TeV是個可以承受的上限了，”歐洲核子研究組織（CERN）的高級研究科學(xué)家、比利時安特衛(wèi)普大學(xué)教授阿爾伯特·德洛克（Albert de Roeck）說。
有人說超對稱理論已經(jīng)夠了，但也有些人覺得這一理論還有可以彌補(bǔ)的漏洞。在標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)不清的超對稱擴(kuò)展理論中，有更為復(fù)雜的情況：重于1TeV的標(biāo)量頂夸克與其對應(yīng)超對稱粒子一起平衡頂夸克，以此來調(diào)節(jié)希格斯質(zhì)量。該理論有很多變形，或是獨立的“模型”，因此完全否定它是幾乎不可能的。
加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的物理學(xué)家喬·英坎德拉（Joe Incandela）在2012年代表CMS宣布了希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。他說：“如果你看到了什么，你可以直接告訴別人你看到了，不需要想什么模型去解釋。但是如果什么也沒看到，情況就變的復(fù)雜很多?！?/p>
粒子總是隱藏在各種邊邊角角。例如，如果標(biāo)量頂夸克和最輕的超中微子（超對稱理論中的暗物質(zhì)候選者）恰好有接近相同的質(zhì)量，它們可能至今還隱藏著。這是因為當(dāng)撞擊產(chǎn)生一個標(biāo)量頂夸克并衰變出一個超中微子時，只有極小的能量會以動能的形式釋放。
“當(dāng)標(biāo)量頂夸克衰變時，即使暗物質(zhì)粒子就在那里，你也看不到它，”ATLAS成員，紐約大學(xué)的凱爾·克萊默（KyleCranmer）解釋到。 在那種情況下，質(zhì)量小至0.6TeV的標(biāo)量頂夸克仍有可能隱藏在數(shù)不清的數(shù)據(jù)中。
實驗學(xué)家在未來會努力排除這些漏洞，或挖掘隱藏粒子。同時，理論物理學(xué)家也做好了在沒有路標(biāo)的自然界繼續(xù)前行的準(zhǔn)備。“一切都很混沌，充滿了不確定性，”阿爾卡尼-哈米德說。
新的希望
許多粒子理論學(xué)家開始認(rèn)同一種有點“玄乎”的可能性：希格斯玻色子的質(zhì)量本身就是非自然性的——它的小質(zhì)量是宇宙拔河游戲中產(chǎn)生的偶然結(jié)果，正好抵消了它的巨大能量。我們之所以觀察到這種奇特現(xiàn)象，是因為我們所生活的宇宙是建立在這種機(jī)制上的。
按照這種說法，除了我們現(xiàn)在的宇宙之外，還有許多許多宇宙，每一個宇宙都有隨機(jī)的參數(shù)設(shè)置。我們恰好生活在了小質(zhì)量希格斯玻色子的宇宙中，也正因為如此才可以形成原子，孕育生命。
不過，這種“玄乎”的解釋顯然不被很多人追捧，因為我們沒辦法驗證它的正確與否。
尼馬·阿爾卡尼 -哈米德是新澤西州普林斯頓高級研究所的物理學(xué)教授，他正在與同事討論理論物理學(xué)問題。
過去兩年里，一些理論物理學(xué)家開始為希格斯子質(zhì)量尋求新的自然性解釋。他們希望能避免玄乎而不可驗證的假說，又不需要依賴LHC試驗中出現(xiàn)新粒子。
近日，在歐洲核子研究組織，當(dāng)實驗學(xué)家們?nèi)耘f忙于分析各類數(shù)據(jù)時，他們的理論學(xué)家同事們正在召開一場研討會來探討一些仍處在萌芽期的新思路以及可能的驗證方法。例如，“松弛假說”（relaxion hypothesis）認(rèn)為希格斯質(zhì)量不是由對稱形成的，而是從宇宙誕生初期便一直動態(tài)變化形成了今天的樣子。
加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的納撒尼爾·克雷格（Nathaniel Craig）從事“中性自然性”（neutral naturalness）的研究。他在CERN研討會接受電話采訪時說道：“既然大家都度過了雙光子危機(jī)，現(xiàn)在是時候回歸到那些解決LHC新物理現(xiàn)象缺失的問題上來了?！?/p>
阿爾卡尼-哈米德和幾位同事最近提出了一種名為“N自然性”（Nnaturalness）的新理論，他說，“許多理論學(xué)家，包括我在內(nèi)，都感到我們處在一個特殊的時期，我們所面對的不僅僅是下一個可能出現(xiàn)的新粒子的細(xì)枝末節(jié)，而是真正的宏觀的、結(jié)構(gòu)性的問題。我們非常幸運(yùn)生活在這樣一個時代，即使我們有生之年可能不會實現(xiàn)什么重大突破?！?/p>
當(dāng)理論學(xué)家回歸到他們的黑板上時，CMS和ATLAS的6000多名實驗學(xué)家正在為向未知領(lǐng)域的探索而歡欣鼓舞?！笆裁词秦瑝?？”，斯皮羅普盧在提到理論學(xué)家對“噩夢論”的恐慌時說：“我們在探索自然。有這么多的數(shù)據(jù)要處理，每天興奮而忙碌著，我們可沒有時間去考慮這樣那樣的噩夢?！?/p>
新物理仍有可能出現(xiàn)。但是在斯皮羅普盧看來，沒有發(fā)現(xiàn)也是一種發(fā)現(xiàn)，尤其當(dāng)它宣告了一項多年來備受追捧的理論的死亡。“實驗物理學(xué)家們沒有宗教，”她說。
一些理論物理學(xué)家也同意，現(xiàn)在就討論失望還為時過早。阿爾卡尼-哈米德說：“這就是自然，我們不斷探索未知，尋求答案！6000多人正忙得四腳朝天，你還有理由像個小孩一樣，沒得到想要的棒棒糖就要撅噘嘴么？”
參考：Quanta Magazine
編輯：梁博深
