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LHC一无所获:物理学要回到出发点了吗? | 科学人

2016-08-18 18:24 见正文

本文作者:Natalie Wolchover  翻译:劈柴

欧洲大型强子对撞机(LHC)的物理学家们以前所未有的高能探索了自然的性质,他们有了一些非常深刻的发现:没有新东西。

这或许是30年前该项目设计之初,唯一一件没人预料到的事情。

去年12月出现在数据曲线中的那个著名的“双光子峰”已经消失,说明这是一次短暂的统计涨落,而非一个革命性的新基本粒子。实际上,除了长期主导但并不完整的粒子物理“标准模型”中已有的成员,这台机器的对撞至今没有召唤出任何全新粒子。在对撞残骸中,物理学家没有找到能够组成暗物质的粒子,没有希格斯玻色子的兄弟姐妹,没有额外维度存在的迹象,没有轻子夸克——最重要的是,也没有人们苦苦寻找的超对称粒子,这种粒子能够补全公式并满足“自然性”,后者是自然定律应当遵循的一条深层原则。

“令人吃惊的是我们考虑了这些事情30年,却没有做出一项正确的预测让人能看到,”普林斯顿高等研究院物理学教授尼马·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说。

本月的芝加哥国际高能物理会议上,超环面仪器(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)两大实验所做的报告成为了新闻。两项实验的探测器像大教堂一般分别坐落于LHC长达27千米的轨道环的6点和12点方位。这台对撞机在升级到原有能量的两倍并终于全速运行后产生了大量数据,两个团队各自超过3000名成员在过去三个月来一直疯狂地对其进行分析。目前,LHC的光子撞击能量是13万亿电子伏(TeV)——超过单个光子质量的13000倍——提供了足够的原材料产生大量基本粒子,如果它们存在的话。

(上)消失的峰:大型强子对撞机将光子以高能撞击,碎片被CMS和ATLAS两个主要探测器捕捉。2015年12月,两台探测器都在13-TeV撞击中检测到少量多于标准模型的光子对数量,总能量为750GeV。物理学家希望这个“双光子峰”的诞生是由于生成的一种新基本粒子接下来衰变成了两个光子。(下)2016年,从LHC收集的数据是之前的4倍多,而双光子峰却不见了。这说明去年所见的异常只是一次统计涨落。(注意,由于加速器和探测器条件的改变,在2016年基于标准模型的预测发生了微小变化。)图片来源:Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

目前为止,什么也没有出现。尤其让许多人伤心的是双光子峰的丢失,这是在去年那批捉弄人的13-TeV数据中突然出现的一对额外光子,理论学家们写了大约500篇论文来推测它们的来源。双光子峰在今年的数据中消失的传言在六月开始流出,引发了全领域范围的“双光子宿醉”。

“它本可以单枪匹马地为粒子实验指向一个非常让人兴奋的未来,”马里兰大学理论物理学家拉曼·桑德拉姆(Raman Sundrum)说。“它的缺失将我们拉回到出发点。”

新物理的缺失加深了自2012年就产生的危机,当时LHC第一次运行,证实了8-TeV撞击将不会产生任何超越标准模型的新物理。(那一年发现的希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图,而非它的扩展。)仍旧可能有一个救星粒子在今年晚些时候或明年出现,或许,当数据经过长时间的积累,会在已知粒子身上发现细微的惊喜,间接提供新物理的线索。但理论学家们已经逐渐开始准备接受“噩梦场景”了,那就是LHC根本无法把我们引向一个更加完整的自然理论。

一些理论学家提出,整个领域是时候开始思考零结果的含义了。新粒子的缺失几乎肯定意味着物理定律不像物理学家长久认为的那样自然。“自然性是如此动机充足,”桑德拉姆说,“以至于其实际上的缺失就是一项重大发现。”

物理学家确信标准模型之外还有其他理论的主要原因在于,作为关键环节的希格斯玻色子有一个看上去极其不自然的质量。在标准模型方程中,希格斯子与许多其他粒子耦合在一起。这种耦合赋予其他粒子以质量,并使他们得以反过来左右希格斯子的质量,就像拔河比赛中的双方对手。有些对手特别强大——与重力有关的假想粒子可能为希格斯子贡献(或减少)一亿亿TeV——然而它的质量最终只有0.125TeV,就好像双方对手在拔河比赛中得到近乎完美的平局。这看起来很荒诞——除非能合理解释为什么参赛两队水平如此接近。

加州理工大学的玛利亚·斯皮罗普卢,摄于LHC的CMS控制室,在否认噩梦说时说,“实验学家没有宗教。”

上世纪80年代早期,理论物理学家意识到超对称理论能够做出这种解释。该理论提出,对于每一种自然界中存在的“费米子”——一种使希格斯子增加质量的物质粒子,如电子或夸克——都存在一个超对称的“玻色子”,或载力粒子,从希格斯子身上减掉质量。这样,每个拔河参与者都有一个势均力敌的对手,希格斯子也自然地稳定了。理论学家们设计了好几种能满足自然性的替代方案,但是超对称还有更多的论据支撑自己:在这个方案下,三种量子力的强度在高能状态恰好吻合,暗示它们在宇宙之初是统一的。它还提供了一种惰性、稳定的粒子,恰好具有成为暗物质的适当质量。

“那时候我们真觉得已经搞明白了一切,” 加州理工大学粒子物理学家兼CMS成员玛丽亚· 斯皮罗普卢(Maria Spiropulu)说,“如果你问我这一辈的人,我们几乎被教育成超对称就是存在的,哪怕还没有发现。我们是真信过啊。”

因此,当已知粒子的超对称粒子未能出现时——首先是90年代的大型正负电子对撞机(Large Electron-Positron Collider),然后是90年代和2000年早期的兆电子伏特加速器(Tevatron),还有现在的LHC——人们感到非常意外。随着对撞机在更高能量搜索,已知粒子和它们的假想超对称粒子之间的差距也越来越大,因为后者必须质量更大才能躲避探测。最终,超对称理论变得“残破不堪”,粒子和其超对称粒子作用在希格斯子上的质量无法再抵消,超对称理论也无法解决自然性问题。一些专家认为,我们已经过了这个理论的“破产”点。另一些允许特定参数设置得更灵活的专家,也说破产正在发生,因为ATLAS和CMS排除了质量小于1TeV的标量顶夸克——质量为0.137TeV的顶夸克的超对称粒子。这已经在顶夸克和标量顶夸克的希格斯拔河中造成6倍的不平衡。即使大于1TeV的标量顶夸克存在,它对希格斯子的作用也过于强了,不能解决它理应解决的问题。

标准模型。图片来源:Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

“我觉得1TeV是个心理上的极限,”CERN(LHC所属的实验室)的高级研究科学家、比利时安特卫普大学教授阿尔伯特·德洛克(Albert de Roeck)说。

有人会说已经够了,而其他人觉得还存在漏洞可以抓住。在标准模型的无数超对称扩展中,有更复杂的方案能使重于1TeV的标量顶夸克与其他超对称粒子一起去平衡顶夸克,调节希格斯子的质量。这个理论有太多变种,或者说独立的“模型”,完全判死刑几乎是不可能的。加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家乔·英坎德拉(Joe Incandela)曾在2012年代表CMS合作方宣布希格斯玻色子的发现,他说,“如果你看到了什么,你可以不依赖模型地声明你看到了一些东西。如果什么也没看到,这就有点复杂了。”

粒子可能隐藏在各种边缘角落。比方说,如果标量顶夸克和最轻的超中微子(超对称理论中的暗物质候选者)恰巧具有几乎相同的质量,它们可能至今还隐藏着。这是因为当撞击产生一个标量顶夸克并衰变出一个超中微子时,只有很少的能量会以运动的形式释放。“当标量顶夸克衰变时,出现的一个暗物质粒子基本就坐那儿不动,”ATLAS成员、纽约大学的凯尔·克莱默(Kyle Cranmer)解释说。“你看不到它。所以在那些地方很难找。”在那种情况下,质量小至0.6TeV的标量顶夸克仍有可能隐藏在数据中。

实验学家在未来会努力排除这些漏洞,或挖掘隐藏粒子。同时,那些准备好继续出发的理论学家会努力面对没有自然界提供路标的事实。“情况很混乱也很不确定,” 阿尔卡尼-哈米德说。

许多粒子理论学家现在承认一个长期隐现的可能性:希格斯玻色子的质量就是不自然的——它的低值由一次偶然而精细的宇宙拔河中的抵消所产生——而我们之所以观测到如此奇怪的性质,是因为若非如此我们就不会存在。在这一情景中,有许多许多宇宙存在,每一个都由各种效果的不同偶然组合形成。在所有这些宇宙中,只有碰巧具有轻希格斯玻色子的那些才能允许原子形成从而孕育生命。但由于看起来无法验证,这种人择观点普遍不受欢迎。

尼玛·阿尔卡尼-哈米德正在普林斯顿高等研究院与同事讨论理论物理学。图片来源:Béatrice de Géa for Quanta Magazine

过去两年来,一些理论物理学家开始为希格斯子质量设计全新的自然解释,以期避免人择推理的宿命论,又不必依赖LHC中出现新粒子。最近,当CERN的实验学家们为了寻找新粒子而忙于啃数据之时,他们的理论学同事们举办了一个研讨会,讨论诸如“松弛轴子假说”(relaxion hypothesis)——该假说认为希格斯子的质量不是由对称形成的,而是被宇宙诞生动态地塑造——的新思路以及可能的验证方法。加州大学圣塔芭芭拉分校的纳撒尼尔·克雷格(Nathaniel Craig)在研究一种称为“中性自然性”(neutral naturalness)的理论,他在从CERN会场打来的电话中说道,“既然大家都度过了双光子宿醉,我们该回归到那些旨在解决LHC新物理缺失的问题上来。”

阿尔卡尼-哈米德和几位同事最近提出了另一项名为“N自然性”(Nnaturalness)的新理论,他说,“许多理论学家,包括我在内,都感到我们处在一个完全特殊的时期,摆在桌上的问题不是下一个粒子的细节,而是真正的大型结构性问题。我们非常有幸生活在这样一个时代——即使我们有生之年可能不会出现重大而确凿的进展。”

当理论学家回到他们的黑板上,CMS和ATLAS的6000名实验学家正在为他们向未知领域的探索而欢欣鼓舞。“什么叫噩梦?”斯皮罗普卢在提到理论学家对“噩梦场景”的恐慌时说。“我们在探索自然。也许我们没有时间考虑那样的噩梦,因为我们正在接收海量的数据,而且非常兴奋。”

新物理仍有希望出现。但是在斯皮罗普卢看来,没有发现也是一种发现——尤其当它意味着一项重要理论的死亡。“实验物理学家们没有宗教,”她说。

一些理论学家也同意。失望的说法是“疯狂的”,阿尔卡尼-哈米德说。“这就是自然!我们在学习答案!这6000个人正忙得四脚朝天,而你像个小孩一样没得到想要的棒棒糖就撅个嘴?”

题图来源:Olena Shmahalo / Quanta Magazine

(编辑:Ent;排版:甘蔗西西)


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