編者按：今年對(duì)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(cè)器無(wú)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(duì)撞機(jī)（LHC）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣令人失望，并沒(méi)有讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)可能的新粒子。
無(wú)論愛(ài)因斯坦信不信“上帝會(huì)擲骰子”，至少人類這兩場(chǎng)大手筆的“出千行動(dòng)”在上帝的賭桌前一無(wú)所獲。
失敗固然是成功之母，但是只有成功才能通向下一個(gè)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(shí)驗(yàn)，直到有一個(gè)定論位置。而在這之前，恐怕要在“噩夢(mèng)”里煎熬一陣吧。
Quanta Magazine也專門發(fā)文詳細(xì)報(bào)道分析了整個(gè)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(duì)這樣一個(gè)“一無(wú)所獲”的結(jié)果。
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物理學(xué)家們正處在“噩夢(mèng)”一般的尷尬處境：最新的強(qiáng)子碰撞試驗(yàn)的結(jié)果是：Nothing New！啥新發(fā)現(xiàn)都沒(méi)有，莫非要被炒魷魚(yú)？
歐洲大型強(qiáng)子對(duì)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(duì)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?yàn)樽罱K的結(jié)論是：沒(méi)有任何新發(fā)現(xiàn)！
30年前，人們開(kāi)始設(shè)想這一巨大工程時(shí)，一定沒(méi)有人預(yù)料到會(huì)有今天這個(gè)尷尬的結(jié)果。
2015年12月實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中顯示的、轟動(dòng)學(xué)術(shù)界一時(shí)的“雙光子粒子”在最新的實(shí)驗(yàn)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(lái)物理學(xué)變革的新基本粒子，而僅僅是統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的結(jié)果。
實(shí)際上，長(zhǎng)期以來(lái)主導(dǎo)粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”雖然并不完整，對(duì)撞機(jī)運(yùn)行了這么多年也沒(méi)有找出任何超越標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的新粒子。在對(duì)撞產(chǎn)生的殘骸中，物理學(xué)家沒(méi)有找到暗物質(zhì)的跡象，沒(méi)有希格斯玻色子的兄弟姐妹，沒(méi)有額外維度存在的痕跡，沒(méi)有輕子夸克。
更重要的是，人們苦苦追尋的超對(duì)稱粒子也沒(méi)有出現(xiàn)。這種粒子能夠剔除標(biāo)準(zhǔn)模型公式的冗余項(xiàng)，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(lái)，到頭來(lái)卻發(fā)現(xiàn)我們當(dāng)初的預(yù)測(cè)沒(méi)一個(gè)是對(duì)的，”新澤西州普林斯頓高級(jí)研究所的物理學(xué)教授尼馬·阿爾卡尼 - 哈米德（Nima Arkani-Hamed）說(shuō)。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）成環(huán)形結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)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(duì)撞機(jī)的6點(diǎn)鐘方向和12點(diǎn)鐘方向，是大型強(qiáng)子對(duì)撞器所配備的七大粒子探測(cè)器中的兩臺(tái)，每臺(tái)探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)都在3000人以上。
最新升級(jí)的對(duì)撞機(jī)系統(tǒng)可以提供將近升級(jí)前2倍的能量。它給碰撞的質(zhì)子提供高達(dá)13萬(wàn)億電子伏特（TeV）的能量，相當(dāng)于給單個(gè)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(guò)去的三個(gè)月里，這兩只探測(cè)器團(tuán)隊(duì)日以繼夜的分析著對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)得到的海量數(shù)據(jù)，并于日前在芝加哥舉行的國(guó)際高能物理大會(huì)上發(fā)布了這一“毫無(wú)新意”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引發(fā)一片嘩然。
截止目前，沒(méi)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(guò)去有超過(guò)500篇理論物理學(xué)論文預(yù)測(cè)這一粒子的存在，該“光子對(duì)”也一度出現(xiàn)在去年13兆電子伏特的試驗(yàn)結(jié)果中。關(guān)于雙光子粒子在最新實(shí)驗(yàn)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(lái)。然而，一夜之間我們又回到了最初的起點(diǎn)。”
新物理現(xiàn)象的缺失加深了2012年的危機(jī)。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的第一輪試驗(yàn)中人們就發(fā)現(xiàn)，8TeV的能量不會(huì)產(chǎn)生任何超出標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)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(shí)候，或者明年什么時(shí)候就會(huì)有新基本粒子的發(fā)現(xiàn)來(lái)結(jié)束這場(chǎng)危機(jī)。亦或是隨著統(tǒng)計(jì)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(lái)越多的理論物理學(xué)家接受這一次的“噩夢(mèng)論”，在這一次的強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)里，我們什么也沒(méi)發(fā)現(xiàn)。
一些理論物理學(xué)家坦言，現(xiàn)在已經(jīng)是整個(gè)學(xué)界需要對(duì)“nothing”做出解釋的時(shí)候。新基本粒子的缺失一定程度上意味著一直以來(lái)我們信以為真的物理學(xué)法則可能是不完美的。拉曼說(shuō)：“人們總是希望用‘自然性’來(lái)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?yàn)闃O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(chǎng)賦予了粒子質(zhì)量，然后粒子的質(zhì)量反過(guò)來(lái)作用于希格斯質(zhì)量的大小，就像拔河比賽中的你來(lái)往。
一些“拔河選手”異常強(qiáng)壯，例如有一些假說(shuō)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(jìng)爭(zhēng)者，雙方始終處于平局。這一現(xiàn)象看起來(lái)十分詭異，除非我們能解釋為什么競(jìng)爭(zhēng)的雙方總是勢(shì)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(duì)撞機(jī)CMC檢測(cè)器的控制室，她說(shuō)：“盡管很多人都在討論‘噩夢(mèng)說(shuō)’，對(duì)于實(shí)驗(yàn)主義著來(lái)說(shuō)，我們不相信宗教，只信事實(shí)?！?/p>
理論物理學(xué)家于19世紀(jì)80年代初提出了“超對(duì)稱理論”來(lái)解釋上述現(xiàn)象。根據(jù)超對(duì)稱理論，每一個(gè)“費(fèi)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(huì)有相對(duì)應(yīng)的“玻色子”來(lái)抵消希格斯質(zhì)量的增加。通過(guò)這一機(jī)制，拔河的競(jìng)爭(zhēng)者都有一位勢(shì)均力敵的對(duì)手，希格斯立場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
理論物理學(xué)家還提出了別的理論來(lái)解釋這種平衡，但是超對(duì)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?cè)谟钪嫘纬芍跏墙y(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?cè)缇屯耆鉀Q了這個(gè)問(wèn)題”，CMC檢測(cè)器成員、加利福尼亞理工學(xué)院粒子物理學(xué)家瑪利亞說(shuō)：“對(duì)于我們這一代人，超對(duì)稱理論就是標(biāo)準(zhǔn)的教科書式答案。即便它還沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)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(duì)稱搭檔”遲遲沒(méi)有出現(xiàn)時(shí)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(duì)撞機(jī)，之后是90年代及20世紀(jì)初的一萬(wàn)億電子伏加速器，到現(xiàn)如今的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。
隨著對(duì)撞機(jī)的能量越來(lái)越高，已知粒子和對(duì)應(yīng)假想超對(duì)稱粒子之間的差距也越來(lái)越大，因?yàn)楹笳弑仨殦碛懈蟮馁|(zhì)量來(lái)躲避探測(cè)系統(tǒng)。最終，超對(duì)稱機(jī)制不再成立，粒子和超對(duì)稱粒子的希格斯質(zhì)量無(wú)法抵消，超對(duì)稱理論也就無(wú)法解決自然性問(wèn)題。
一些專家認(rèn)為，我們?cè)缫呀?jīng)跨過(guò)了導(dǎo)致超對(duì)稱理論失效的能量點(diǎn)。另一些對(duì)于特定因素設(shè)想更為靈活的專家也表示，超對(duì)稱理論正在失效，因?yàn)锳TLAS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(duì)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(duì)希格斯子的作用也過(guò)強(qiáng)，超出了該理論可以解決的范疇。
“我覺(jué)得1TeV是個(gè)可以承受的上限了，”歐洲核子研究組織（CERN）的高級(jí)研究科學(xué)家、比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)教授阿爾伯特·德洛克（Albert de Roeck）說(shuō)。
有人說(shuō)超對(duì)稱理論已經(jīng)夠了，但也有些人覺(jué)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(duì)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(duì)應(yīng)超對(duì)稱粒子一起平衡頂夸克，以此來(lái)調(diào)節(jié)希格斯質(zhì)量。該理論有很多變形，或是獨(dú)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(shuō)：“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(méi)看到，情況就變的復(fù)雜很多。”
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(duì)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?yàn)楫?dāng)撞擊產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)量頂夸克并衰變出一個(gè)超中微子時(shí)，只有極小的能量會(huì)以動(dòng)能的形式釋放。
“當(dāng)標(biāo)量頂夸克衰變時(shí)，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(shí)驗(yàn)學(xué)家在未來(lái)會(huì)努力排除這些漏洞，或挖掘隱藏粒子。同時(shí)，理論物理學(xué)家也做好了在沒(méi)有路標(biāo)的自然界繼續(xù)前行的準(zhǔn)備?！?strong>一切都很混沌，充滿了不確定性，”阿爾卡尼-哈米德說(shuō)。
新的希望
許多粒子理論學(xué)家開(kāi)始認(rèn)同一種有點(diǎn)“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?yàn)槲覀兯畹挠钪媸墙⒃谶@種機(jī)制上的。
按照這種說(shuō)法，除了我們現(xiàn)在的宇宙之外，還有許多許多宇宙，每一個(gè)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?yàn)槿绱瞬趴梢孕纬稍?，孕育生命?/p>
不過(guò)，這種“玄乎”的解釋顯然不被很多人追捧，因?yàn)槲覀儧](méi)辦法驗(yàn)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(jí)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(wèn)題。
過(guò)去兩年里，一些理論物理學(xué)家開(kāi)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(yàn)證的假說(shuō)，又不需要依賴LHC試驗(yàn)中出現(xiàn)新粒子。
近日，在歐洲核子研究組織，當(dāng)實(shí)驗(yàn)學(xué)家們?nèi)耘f忙于分析各類數(shù)據(jù)時(shí)，他們的理論學(xué)家同事們正在召開(kāi)一場(chǎng)研討會(huì)來(lái)探討一些仍處在萌芽期的新思路以及可能的驗(yàn)證方法。例如，“松弛假說(shuō)”（relaxion hypothesis）認(rèn)為希格斯質(zhì)量不是由對(duì)稱形成的，而是從宇宙誕生初期便一直動(dòng)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(huì)接受電話采訪時(shí)說(shuō)道：“既然大家都度過(guò)了雙光子危機(jī)，現(xiàn)在是時(shí)候回歸到那些解決LHC新物理現(xiàn)象缺失的問(wèn)題上來(lái)了。”
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(shuō)，“許多理論學(xué)家，包括我在內(nèi)，都感到我們處在一個(gè)特殊的時(shí)期，我們所面對(duì)的不僅僅是下一個(gè)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(wèn)題。我們非常幸運(yùn)生活在這樣一個(gè)時(shí)代，即使我們有生之年可能不會(huì)實(shí)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(shí)，CMS和ATLAS的6000多名實(shí)驗(yàn)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?mèng)？”，斯皮羅普盧在提到理論學(xué)家對(duì)“噩夢(mèng)論”的恐慌時(shí)說(shuō)：“我們?cè)谔剿髯匀?。有這么多的數(shù)據(jù)要處理，每天興奮而忙碌著，我們可沒(méi)有時(shí)間去考慮這樣那樣的噩夢(mèng)?！?/p>
新物理仍有可能出現(xiàn)。但是在斯皮羅普盧看來(lái)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)也是一種發(fā)現(xiàn)，尤其當(dāng)它宣告了一項(xiàng)多年來(lái)備受追捧的理論的死亡。“實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們沒(méi)有宗教，”她說(shuō)。
一些理論物理學(xué)家也同意，現(xiàn)在就討論失望還為時(shí)過(guò)早。阿爾卡尼-哈米德說(shuō)：“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(gè)小孩一樣，沒(méi)得到想要的棒棒糖就要撅噘嘴么？”
參考：Quanta Magazine
編輯：梁博深
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