粒子物理学停滞不前的噩梦该怎样打破？

除非欧洲的大型强子对撞机能带来惊喜，否则粒子物理学可能会无可奈何地走到尽头。

十年前，粒子物理学家让全世界兴奋不已欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器日前，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质量的关键这一发现证实了一个48年前的理论预测，完善了一个被称为标准模型的物理理论，并将物理学家推到了聚光灯下

希格斯粒子的存在是由彼得·希格斯在1964年首次提出的长期以来，物理学家，包括希格斯本人，都不知道这个假说背后的物理意义但伴随着时间的推移，人们逐渐意识到希格斯玻色子在粒子物理中的重要作用它是标准模型缺失的最后一个谜题，这个粒子就是所有粒子都有质量的原因质量并不像人们最初认为的那样是粒子的固有禀赋，相反，它是粒子与散布在宇宙各处的希格斯场相互作用的结果物理学家几十年来一直相信这一理论，但直到2012年才真正被实验证实

希格斯玻色子的发现是粒子物理学的不朽成就:它标志着长达数十年的探索旅程的结束，开启了研究这种极其特殊粒子的新时代但随后，这个领域在狂欢之后陷入了漫长的宿醉甚至在2010年27公里长的大型强子对撞机开始收集数据之前，物理学家就担心它可能只会产生希格斯粒子，而不能留下任何可能存在于标准模型之外的新物理的线索目前，这种噩梦般的情况正逐渐成为现实这有点令人失望，加州理工学院的物理学家巴里·巴里什说我以为我们会发现超对称性这是一个主流的物理理论，扩展了标准模型

但是许多物理学家说现在绝望还为时过早经过三年的升级改造，大型强子对撞机正在全力以赴为计划中的五轮实验中的第三轮做准备每秒将产生数十亿次质子—质子碰撞，新的粒子可能在其中诞生人工智能的发展也带来了新的机遇——十年前，大多数物理学家会对使用神经网络分析数据的想法嗤之以鼻可是，在许多更年轻的研究人员和工业合作伙伴的帮助下，建立了一个特殊的神经网络，它可以帮助物理学家在海量数据中搜索值得进一步研究的现象大型强子对撞机将再运行16年，伴随着进一步升级，它将收集到目前收集的16倍的数据所有这些数据可能包含新粒子和新物理的细微痕迹

可是，一些研究人员也认为，碰撞物理实验已经变质，到了末日芝加哥大学的物理学家胡安·科勒在一些小实验中寻找暗物质的踪迹:如果他们仍然没有发现任何东西，整个领域都会消亡伦敦大学国王学院的理论物理学家约翰·埃利斯表示，在这一领域取得突破的希望已经被漫长而不确定的探索前景磨平，最终的失败将像拔牙一样突可是痛苦，而不仅仅是像自然掉牙一样无声无息

自20世纪70年代以来，物理学家一直在与粒子物理的标准模型角力根据这个模型，普通物质是由被称为上夸克和下夸克的轻质粒子组成的——它们每三个结合起来形成质子和中子——以及电子和几乎没有质量的粒子，被称为电子中微子两组较重的粒子一直潜伏在真空中，只在粒子碰撞引起的撞击中短暂出现所有粒子都是通过交换其他粒子来相互作用的:光子传递电磁力，胶子传递将夸克束缚在一起的强相互作用力，大质量W玻色子和Z玻色子传递弱相互作用力

该模型描述了迄今为止科学家在粒子对撞机中观察到的所有现象可是，它不可能是关于自然的终极理论它不能描述引力，也不包括神秘不可见的暗物质在宇宙中，暗物质与普通物质的质量比可能是6:1左右中微子被包含在标准模型中，但人们仍然无法解释其极低的质量很明显，普通物质也是用标准模型描述的，但人们也不知道它是如何在BIGBANG之后超越反物质并占据主导地位的围绕希格斯玻色子本身仍有许多未解之谜

大型强子对撞机应该已经打破了这个僵局在其环形结构中，两个反向循环的质子发生碰撞，产生在其他地方无法获得的重粒子，这里面的能量是过去任何对撞机的7倍以上10年前，许多物理学家想象在大型强子对撞机中可以快速发现一些新现象，包括转移相互作用的新介质粒子，甚至迷你黑洞德国DESY实验室粒子物理学主任贝亚特·海涅曼回忆说，人们以为自己会淹没在生成的超对称粒子中当时，物理学家普遍认为，找到希格斯粒子可能需要更长的时间

没想到，希格斯粒子在短短三年内被迅速发现部分原因是它的质量比许多物理学家预期的要小，只有质子的133倍左右如果它的质量超过大型强子对撞机的能量极限，或者它与其他粒子的相互作用很弱，我们根本没有希望发现它希格斯本人也曾表示，他从未期望在有生之年发现希格斯粒子的证据，这无疑是粒子物理学中一个里程碑式的成果但是10年过去了，物理学家还没有发现任何其他新粒子

新现象的缺乏对物理学家所珍视的几个原则提出了挑战自然原理是指在一个理论中，物理常数的无量纲比应该和1有相同的数量级所以希格斯粒子的低质量或多或少保证了大型强子对撞机能达到的能量范围内有新的未知粒子根据量子力学原理，任何在真空中游荡的虚拟粒子都会与真实粒子相互作用并影响它们的性质——这正是虚拟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应该被真空中的其他标准模型粒子大大增加，尤其是顶夸克，但事实并非如此因此，理论学者得出结论，真空中至少存在一种质量相似，物理性质适当，特别是自旋不同的新粒子，以自然抵消顶夸克的影响

超对称理论可以为这类粒子的存在提供依据:对于每个已知的标准模型粒子，它假设存在一个自旋不同，质量更重的伙伴粒子这些伙伴粒子不仅可以确保希格斯粒子的质量不会太高，还可以帮助解释希格斯场是如何产生的

可是，在过去的十年里，人们只发现了实验观测值与标准模型预测值之间的一些细微差异，而这些异常并不指向人们希望存在的新粒子例如，2017年，使用底夸克探测器的物理学家发现，B介子衰变为电子和正电子的概率更大，而不是衰变为μ子和反μ子——根据标准模型，这两种概率应该是相同的同样，一些实验表明，μ子的磁性可能比标准模型预测的略强

希格斯粒子本身也提供了其他探索方向2020年8月，在大型强子对撞机的环形仪器和紧凑μ子线圈探测器中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子的现象费米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与理论预测的速率不同，这种偏差可能表明真空中隐藏着新的粒子

物理学家将在大型强子对撞机的下一个三年实验中探索这些现象可是，这些探索可能不会导致戏剧性的尤里卡！瞬间海涅曼说:目前的实验正朝着以极高精度测量细微现象的方向转变可是，Carena说，我非常怀疑在20年后，我会说，‘哦，孩子，在发现希格斯粒子后，我们没有学到任何新东西

如果我们把希格斯玻色子的发现过程看作是爬山，当希格斯首次提出他的理论时，我们甚至不知道这座山在哪里，也不知道它可能有多高——粒子物理的标准模型甚至还不完整人们只是模糊地意识到在一座山峰的某个地方有希格斯粒子，而这能真正证实整个标准模型结构的存在直到90年代末，我们才感受到这座山的高度直到2012年，我们终于爬上了这座山

但现在不同了我们必须从山的另一边下来，穿过荒芜的平原平原向前延伸，或许触及普朗克尺度如果我们目前的预测是正确的，平原的某个地方一定还有其他的山，标志着物理学的又一个高峰也许我们可以找到新的粒子，比如轻子夸克，甚至是超对称粒子或者暗物质粒子，也许我们可以解开更多关于希格斯粒子的谜团——希格斯粒子本身是基本粒子还是复合粒子它能和暗物质相互作用吗如果有，我们是否可以通过它了解更多关于暗物质的信息希格斯场是否通过自身作用赋予希格斯粒子自身的质量许多科学家乐观地认为我们能够解决这些问题但是，至少，没有明确的迹象表明我们要穿过平原多远才能看到这些新的山脉——这就是我们现在的情况和过去几十年的区别

其他人对大型强子对撞机实验者的机会并不那么乐观明尼苏达大学双城分校的物理学家马文·马尔夏克说，他们面对的是一片沙漠，他们不知道那里是怎样的广茂为了解决这些问题，我们很可能需要大批量制造希格斯粒子的能力，这是大型强子对撞机现在甚至二十年后都无法具备的CERN正在计划下一个能量更高的对撞机，未来的环形对撞机，作为未来的希格斯工厂但即使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，那么说服世界各国政府建造下一个更大，更昂贵的对撞机以保持该领域的发展将更加困难

如今，许多大型强子对撞机的物理学家只是兴奋地继续从事质子碰撞的研究在过去的三年里，科学家们升级了探测器，并重新设计了对撞机的低能加速器部分欧洲粒子物理研究所加速器和粒子束主任迈克·拉蒙特说:现在，大型强子对撞机应该有更稳定的碰撞率，可以有效地将数据量提高50%之多几个月来，加速器物理学家一直在慢慢调整大型强子对撞机产生的粒子束在粒子束足够稳定后，他们将开启探测器，恢复数据采集，进行新一轮实验，继续在黑暗的平原上前行

参考数据

出品:科普中国