社交账号登录

社交账号登录

0/34

上传头像

拖拽或者缩放虚线框,生成自己满意的头像

头像

预览

忘记密码

设置新密码

智能

大型粒子对撞机又开始运行,科学家说这依然是个艰难时刻

Dennis Overbye2017-06-24 06:50:44

科学正在叩响天堂的大门。但如果没人来开门呢?

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

瑞士梅兰电 - 世界上最大最昂贵的时间机器又开始运行了。

日内瓦郊外、法瑞边境的田野和购物中心地下,大型粒子对撞机内,被称为质子的亚原子微粒沿着长达 27 公里的电磁轨道飞行,以光速互相碰撞,重新创造出宇宙刚诞生万亿分之一秒时的情况。

约 5000 名学家重回欧洲核研究机构——欧洲核子研究组织(CERN)工作,观测电脑筛选撞击产生的碎片,试图找到新的微粒和自然的力量,他们计划在接下来的至少 20 年里都坚持这一工作。

欧洲核研究组织(CERN)雇佣了代表着 22 个成员国的数千名科学家,只为搞清楚宇宙的起源。紧凑渺子线圈(CMS)是项目现场的七个探测器之一。图片版权:Leslye Davis/《纽约时报》

哈佛大学物理学家丽萨·兰德尔(Lisa Randall)在自己关于粒子物理的新书的标题里这样写道:科学正在叩响天堂的大门。

但如果没人来开门呢?如果没有什么新东西好发现了呢?目前这一预测如同一团乌云,笼罩在物理学界的头顶。

自从 2012 年对撞机发现能解释为什么一些元素粒子拥有质量的希格斯玻色子以来,已经过去了五年,进行了超过七百万的四次方次质子对撞。发现希格斯粒子的成就完善了一个被称作是标准模型(Standard Model)的复杂体系,完结了物理学中的一个重要篇章。

2015 年对撞机的一项数据暗示了一种新粒子的存在,在其作为自然的一次侥幸现象而消失在背景噪音中之前,激发了大量的理论文章。但从那次以后,科研前线的安静却给人一种不详的预感。

“这一领域中最好的感觉就是迷茫,最差的则是抑郁。”法国奥赛物理理论实验室(Laboratoire de Physique Théorique d’Orsay)的粒子物理学家亚当·福考斯基(Adam Falkowski)在最近的一篇写给《推理》(Inference)期刊的文章中说。

“对于理论物理学家来说,这是个艰难的时期。我们的希望好像已经破碎了,我们没能找到想要的东西。”欧洲核子研究组织理论部的主任吉安·朱迪切(Gian Giudice)说。

欧洲核子研究组织约翰·艾利斯(John Ellis)办公室里的一名“物理学家”。Susy 的意思是超对称(supersymmetry)。图片版权:Leslye Davis/《纽约时报》

世界上的物理学家们渴求了近三十年的东西,是和超对称现象有关的任何迹象,这一现象就好像是一个近在咫尺的金苹果,是现实核心里所隐藏的一种数学美感。

理论学家在 1970 年代假设了携带电磁或者光的光子等粒子之间的关系,以及构成物质的基本元素粒子——电子和夸克。

如果超对称的理论是正确的,那么应该有全新的一系列元素粒子待发现,这些粒子被称为夸克和电子,以及其他我们已知和喜爱的粒子的超级伴侣(super-partner)。大量这些粒子从大爆炸中产生。除此之外,它们还可能组成被天文学家认为组成了四分之一宇宙、其引力控制着银河系命运的神秘暗物质

对撞机是从爱因斯坦关于物质和能量的等式中获得的灵感。当一对质子在大型粒子对撞机中相撞,它们将重新制造出创造了宇宙的大爆炸的极微小版本。不管从这些能量中诞生了怎样形态的物质(宇宙伊始之际拥有影响的粒子和力),它们都可以通过电子探测器和电脑得到重现和短暂的展示。

每当对撞机稍有一些富余能量时,科学家们都可以去探寻时间的王国、自然和我们毫无经验的事情,然后就能稍微接近一点现实背后的数理机制。

大型离子对撞机被用来对撞每一颗都具有 7 万亿电子伏特能量的质子,把科学带回宇宙大爆炸伊始时的万亿分之一秒。物理学家们知道,这就足以让他们来发现希格斯粒子,或者证明希格斯粒子不存在了。很多理论学家也曾希望超对称粒子能在 2010 年启动大型粒子对撞机的时候就出现。根据一些理论,实际上这种神秘的粒子可能出现得更早,在对撞机的前辈设备中就发现。

而现在正如《纽约时报》 1993 年的头条:“315 名物理学家都未能找到超对称粒子。”

到现在他们依然没能成功。五月的时候,尽管对撞物质的总量达到了几乎 2 千亿电子伏特,但由 3000 名物理学家监测的 Atlas 探测器(欧洲核子研究组织隧道中两个主要的探测器之一)也没有发现超级粒子的踪迹。

欧洲核子研究组织的 Atlas 探测器,这台探测器帮助科学家们在 5 年前发现了希格斯粒子。图片版权:Leslye Davis/《纽约时报》

与此同时,在其他的实验中,被用在寻找据推测漂浮在宇宙中(也穿过我们的身体)的暗物质的努力也宣告失败,理论学家也开始转向研究更加复杂的想法,探究自然在暗物质中如何运作。

去年,一些科学家在哥本哈根聚会,用昂贵的白兰地来偿还赌债:他们此前打赌说,到去年应该已经发现了超对称粒子。

“我的不少同事都绝望了,他们的职业生涯都致力于此。”德国波茨坦马克思·普朗克引力物理研究所(Max Planck Institute for Gravitational Physics)的赫尔曼·尼古拉(Hermann Nicolai)说。

大型粒子对撞机能发现希格斯玻色子、但找不到其他东西的想法,一直是物理学家们最大的噩梦。这些找不到的东西让他们无法解释自己最大的成就:希格斯粒子本身。

根据欧洲核子研究组织的说法,一直在寻找的标准模型的基石玻色子带有 1250 亿电子伏特、或者等同于整个碘原子的能量。但根据理论的计算结果,这实在太轻了。希格斯粒子的质量应该高出百万四次方的数千倍。

原因是量子奇异现象(quantum weirdness),其原理之一就是凡不被禁止的都会发生。这意味着希格斯的计算结果必须包括了它和所有其他已知粒子的互相作用,包括可以消失和再现的、被称为虚粒子的粒子。

理论家不得不修改他们的希格斯粒子方程,以及其他直接从标准模型导出的数据。

不过,当所谓的超对称粒子被插入其中时,奇迹发生了。它们抵销了其他粒子的影响,为希格斯粒子留下了一个非常有限的正常质量。理论家表示,这是一种大自然的原理。

超对称性是一个大致概念,因此人们总是可以提出它的另一个版本。

不是每个人都准备放弃超对称性,或者接受打赌失败的结果、偿付赌金。

欧洲核子研究中心的控制中心,科学家在这里分析来自一些实验室项目的数据。图片版权:Leslye Davis/《纽约时报》

戈登·凯恩(Gordon Kane)是密歇根大学超弦理论家,在业内以其对超对称性的乐观态度著称。他表示,根据他的计算,当足够多的数据得到合适的分析时,最轻的超粒子应该出现在大约 1.6 万亿电子伏的位置上。他在一封电子邮件中写道:“遗憾的是,实验并没有进行合理的搜索。”

另一位坚定的支持者是欧洲核子研究中心资深理论家、伦敦国王学院教授约翰·埃利斯(John Ellis),他的实验室办公室里展示了一个举着指示牌的纸板骨架,暗示这就是上一个批评“苏西”(超对称性的缩写)的人的下场。“超对称性粒子没有在大型强子对撞机运转时出现,对此我显然很失望,”埃利斯说。他还表示,它仍然有许多出现的机会。

希格斯粒子追逐行动的领导人之一、意大利比萨大学教授圭多·托内利(Guido Tonelli)表示:“我们曾一度以为我们可以同时发现希格斯粒子和新的物理现象——这很令人激动。”不过他表示,他不像他的同事那样对于这件事的失败感到沮丧:“希格斯粒子符合标准模型,这意味着新的物理现象在能量标尺的更高位置上。我们知道它在那里,我们只是不知道它会出现在明天还是下一个十年。”

他补充道:“我们需要继续探索,不要胆怯。”

到 2018 年年末,对撞机将记录大约 1.5 亿亿次碰撞。朱迪切博士表示,如果到那时还是无法发现任何迹象,他们需要从头再来。

“当我们产生困惑时,我们就会进入最佳研究状态。目前显然是困惑的时刻,”朱迪切博士说。

“困惑意味着我们有机会发现新思想,”他解释道。

古迪切博士在黑板上迅速涂抹了几下,他告诉我们,另外有一种思想是,希格斯粒子的质量不是由某种深层次对称原则固定的,而是由场和力的持续动态变化固定的。当宇宙在大爆炸期间扩展和演化时,希格斯场(希格斯玻色子是它的一种表现形式)会经历相变,就像水变成冰一样。在某个时候,它会固定下来。

“导致希格斯值固定下来的是宇宙的历史,” 古迪切博士说。不过,这会使希格斯场在很长的时间窗口里(比宇宙年龄长得多)维持不稳定状态,并且最终坍缩,毁掉我们所认为的现实。

另一种可能性是许多正统的爱因斯坦主义者非常厌恶的理论。根据这种理论,这些问题数字源自随机因素。实际上存在着无数个可能的宇宙,它们拥有不同的希格斯粒子质量,不过只有一个宇宙能够演化出恒星、行星和人类。

欧洲核子研究中心已经开始规划大型强子对撞机的后继者:这是一个真正的“巨人”,它将拥有 100 公里的周长,能够用 100 万亿电子伏的质子进行撞击。中国也在探索这样的“大型对撞机”。

全球 LHC 计算网格包含了大型强子对撞机收集的所有数据。自从发现希格斯玻色子以来,已经有超过七千万亿次质子碰撞得到了记录。图片版权:Leslye Davis/《纽约时报》

可以达到 14 万亿电子伏的大型强子对撞机被用于发现希格斯玻色子,或者当标准模型在极高能量下失效后可能发现的其他粒子。

被欧洲核子研究中心称为“未来圆形对撞机”的机器没有这么明确的目标,因为根据标准模型,这种更高的能量区间上没有新的粒子——用术语来说,这是一片“荒漠”。不过,没有人真的相信没有提到引力的标准模型是宇宙的终极解释。

一个令人鼓舞的暗示来自 CERN 最近对于一种奇怪的短命小粒子的研究,这种粒子叫做 B 介子,它的一个特点是以每秒种几万亿次的频率在其自身状态和反物质对立面之间来回翻转。根据标准模型,这些粒子和它们的“肥胖表兄” μ 子在以某些途径衰减时生成电子的概率应当是相同的。不过,根据欧洲核子研究中心 4 月的报告,其对撞机的测量结果显示,B 介子生成电子的概率明显低于 μ 子。

物理学家表示,导致希格斯粒子理论质量虚高的量子奇异性在这里可能也发挥了作用,这意味着可能存在一种质量很大的新粒子,叫做轻子型夸克(leptoquark)。或者,这可能也只是一种偶然性数据。

牛津大学教授、LHCb 合作团体发言人盖伊·威尔金森(Guy Wilkinson)表示:“不用说,如果这些信号能够保持稳定,这将是一件极为重要的事情。不过现在下定论还为时过早。”

仅仅六年前,对撞机差一点否认希格斯玻色子的存在,至少标准模型是这样预测的。科学家准备向公众解释,没有发现希格斯玻色子比发现这种粒子更加令人激动,因为这是另一次获得创造性困惑的机会。

当然,就在那时,数据图表中出现了一个小小的突起,那就是神出鬼没的希格斯玻色子。

费米国家加速器实验室的物理学家、欧洲核子研究中心某个探测器团队的领导者乔尔·巴特勒(Joel Butler)表示:“自然可能比我们想象的更加微妙。”

这天上午,站在探测器旁边的巴特勒表示:“我们花了 50 年时间才找到希格斯粒子。”这台探测器有几层楼高,被称为 CMS,位于地下 91 米处。

“在物理学领域,耐心显然是一种美德,”巴特勒补充道。


翻译 熊猫译社 Harry 刘清山

题图来自 Wikimedia Commons

© 2017 THE NEW YORK TIMES

喜欢这篇文章?去 App 商店搜 好奇心日报 ,每天看点不一样的。