本文選自《環(huán)球科學(xué)》2014年6月號(hào)。
撰文?約瑟夫·萊肯（美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室理論物理學(xué)家）
? 瑪麗亞·斯皮羅普盧（加州理工學(xué)院粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家）
翻譯?劉金巖（中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所的助理研究員，從事現(xiàn)代物理學(xué)史研究，她在中國科學(xué)院理論物理研究所獲得博士學(xué)位，研究方向?yàn)榱Ｗ游锢砗土孔訄稣摚?/p>
2012年夏天的一個(gè)黎明時(shí)分，在加州理工學(xué)院的辦公室內(nèi)，我們已經(jīng)在喝第三輪咖啡了。這時(shí)，辦公室的視頻同歐洲核子研究組織（CERN）實(shí)驗(yàn)室的視頻接通了。通過顯示器，我們看到了Razor團(tuán)隊(duì)中我們的同事。CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）上開展的CMS實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生眾多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Razor團(tuán)隊(duì)是眾多分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究小組之一，其目的是尋找獨(dú)特的對撞結(jié)果，這些結(jié)果也許能為超對稱理論（supersymmetry）提供第一手證據(jù)。超對稱理論提出已有40多年之久，它改變了人們對粒子物理的常規(guī)理解，能夠解決物理學(xué)中的深層次問題，解釋宇宙中暗物質(zhì)的性質(zhì)。但是，經(jīng)過幾十年的尋找，物理學(xué)家仍然沒能找到與超對稱相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
毛里西奧·皮耶里尼（Maurizio Pierini）是Razor小組的領(lǐng)導(dǎo)，當(dāng)一組新數(shù)據(jù)在他眼前閃過時(shí)，盡管我們遠(yuǎn)在9個(gè)時(shí)區(qū)以外，卻清楚地看到他露出的驚訝表情：這意味著出現(xiàn)了反常數(shù)據(jù)?！拔覀冃枰屑?xì)看一下這個(gè)情況，”皮耶里尼實(shí)事求是地說道。他提到的“這個(gè)情況”是指一次特殊的質(zhì)子與質(zhì)子的對撞，在LHC上大概每數(shù)萬億次粒子對撞，才能出現(xiàn)一次這種特殊情況。我們兩人在數(shù)分鐘內(nèi)將這次對撞的全部數(shù)據(jù)導(dǎo)出到筆記本電腦上。
多年來，一些深?yuàn)W的問題一直困擾著物理學(xué)家。令人驚奇的是，利用超對稱理論能夠很好地解決這些困擾。超對稱給出了一系列“為什么”的答案。例如，為什么粒子會(huì)有質(zhì)量？為什么力會(huì)有強(qiáng)度？簡而言之：為什么宇宙看上去會(huì)是這樣子的？另外，超對稱理論預(yù)言，宇宙中充滿了迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的“超對稱伴子”（superpartner）粒子，這將可以解釋宇宙中的暗物質(zhì)之謎。不夸張地說，大多數(shù)粒子物理學(xué)家都相信，超對稱理論是對的，是令人信服的。一直以來，物理學(xué)家都希望在LHC上的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃罱K發(fā)現(xiàn)這些超對稱伴子，從而提供真憑實(shí)據(jù)，證明超對稱理論的正確性，確認(rèn)該理論是對宇宙的真實(shí)描述。
把上述奇異對撞數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦時(shí)，我們立即看出，呈現(xiàn)出的結(jié)果是超對稱的確鑿信號(hào)。通過數(shù)據(jù)可以看到，兩束高能粒子束朝某一方向運(yùn)動(dòng)，這是被一些不可見物質(zhì)反沖的結(jié)果，或許這些不可見物質(zhì)就是超對稱伴子？然而，我們很快就注意到，數(shù)據(jù)中有一個(gè)很大的紅色尖峰。這些數(shù)據(jù)是否是因探測器故障而導(dǎo)致的假信號(hào)？最終，事實(shí)也證明，這一結(jié)果帶給我們的，不過是又一次失望而已，尋找超對稱似乎是一條無止境的道路。
事實(shí)上，LHC第一次運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，已經(jīng)排除掉了幾乎全部的超對稱理論版本。這些消極的結(jié)果或許正在醞釀粒子物理的全面危機(jī)，至少也是大范圍的恐慌。到2015年初，LHC將以最初設(shè)計(jì)的最高能量運(yùn)行，從而使ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)的研究人員能夠有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)（或者是排除）質(zhì)量更重的超對稱伴子。如果在LHC運(yùn)行結(jié)束之時(shí)仍沒有發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)物理將面臨一個(gè)十字路口：要么放棄尋找有關(guān)超對稱理論的證據(jù)，承認(rèn)自然界并非是按照我們認(rèn)為的規(guī)則在運(yùn)行；要么堅(jiān)持并期待在不久的將來，建立一個(gè)更高能量的對撞機(jī)，找到證據(jù)，證明超對稱理論是正確的——就像我們一直認(rèn)為的那樣。
在科學(xué)的歷史長河中，有許多長期尋找某一物質(zhì)并最終取得成功的例子，比如在LHC上發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子。現(xiàn)在，粒子物理學(xué)家正在緊張地“咬著自己的指甲”，因?yàn)閬碜訪HC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即將檢驗(yàn)建立于40多年前，堪稱理論物理根基的超對稱理論。
為什么需要超對稱？
超對稱是理解量子詭異特征的眾多嘗試之一。對于亞原子物理，我們已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)極為成功、并同時(shí)具有預(yù)言能力的理論，即粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model）。這個(gè)模型將量子力學(xué)與愛因斯坦的狹義相對論結(jié)合在一起，對粒子以及粒子間的相互作用力做了統(tǒng)一描述。物質(zhì)是由一類名為費(fèi)米子［fermion，以恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）的名字命名］的基本粒子組成，費(fèi)米子之間通過另一類名為玻色子［boson，以薩蒂延德拉· 玻色（Satyendra Bose）的名字命名］的粒子傳遞相互作用力，從而結(jié)合在一起。
標(biāo)準(zhǔn)模型很好地描述了亞原子物理的相互作用及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是，當(dāng)我們考慮標(biāo)準(zhǔn)模型為何會(huì)具有這些特性時(shí)，卻遇到了麻煩。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，自然界具有3種不同類型的輕子（lepton，一種費(fèi)米子）：電子、μ子（muon）和τ子（tau）。為何是3種輕子，不是2種，4種或者是15種？標(biāo)準(zhǔn)模型對此并沒有給出解釋，這就要求我們進(jìn)行更深層次的探索以獲取答案。類似的，也許我們還會(huì)問，為什么電子的質(zhì)量會(huì)是這樣？為什么電子的質(zhì)量會(huì)比希格斯玻色子的質(zhì)量輕？對于這些問題，標(biāo)準(zhǔn)模型同樣沒有給出答案。
對于上述問題，粒子物理學(xué)家思考了很長時(shí)間。于是，他們構(gòu)建了許多模型來解釋，標(biāo)準(zhǔn)模型為什么會(huì)是這個(gè)樣子。例如，弦論（string theory）就是一種能夠理解更深層次問題的模型。類似的例子比比皆是。
但是，標(biāo)準(zhǔn)模型的所有附加理論都有一個(gè)問題。任何涉及全新物理觀念的理論（比如弦論），都意味著存在新的假設(shè)粒子。這些新粒子可能具有極大的質(zhì)量。由于質(zhì)量大的粒子很難在對撞實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生，這就能夠解釋我們?yōu)楹卧贚HC這樣的加速器中尚未發(fā)現(xiàn)新粒子。但是，這些質(zhì)量極大的新粒子也像希格斯粒子一樣，會(huì)對普通物質(zhì)產(chǎn)生影響。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？答案在于量子的詭異特性。
在量子力學(xué)中，粒子之間通過交換所謂的“虛粒子”（virtual particles）而發(fā)生相互作用。例如，兩個(gè)電子之間的相互排斥力，大致上可以簡單描述為電子之間交換了一個(gè)虛光子。理查德·費(fèi)曼（Rachard Feynman）推導(dǎo)出了一系列簡潔的規(guī)則，可以描述穩(wěn)定粒子和虛粒子之間相互作用的量子效應(yīng)。
但是在量子理論中，任何沒有被嚴(yán)格禁止的事情，事實(shí)上都有可能發(fā)生，至少偶爾能發(fā)生。通過交換虛粒子，不僅電子之間可以發(fā)生相互作用，電子還能夠與其他粒子（包括標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展理論中所預(yù)言的新假設(shè)粒子）發(fā)生相互作用。但這些相互作用會(huì)產(chǎn)生很多問題，除非類似超對稱這樣的新物理模型確實(shí)成立。
現(xiàn)在，我們再來考慮標(biāo)準(zhǔn)模型中賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯玻色子。如果你有一個(gè)希格斯玻色子，也有一些超重粒子，它們會(huì)通過虛量子交換而發(fā)生相互作用。這使得希格斯粒子的質(zhì)量將會(huì)變得超大。瞬間過后，宇宙中的所有物質(zhì)都將變?yōu)槌亓Ｗ?。我們都將塌縮為黑洞。為什么這種恐怖的情形實(shí)際并未發(fā)生？超對稱可以給出最好的解釋。
費(fèi)米子維度
超對稱理論通常被人們昵稱為“SUSY”（發(fā)音同“Suzy”），其基本思想是在20世紀(jì)70年代，由一些對對稱性和粒子物理之間的關(guān)系感興趣的物理學(xué)家發(fā)展出來的。超對稱并不是一個(gè)特定理論，而是一個(gè)理論框架。當(dāng)滿足一定的屬性時(shí)，許多關(guān)于宇宙的獨(dú)立模型都可以是“超對稱”的。
在描述粒子及其相互作用力的物理規(guī)律中，包含許多通常意義上的對稱性。無論你在何時(shí)、何處測量物體，測量時(shí)面朝何方；相對于物體，你是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些因素都不會(huì)影響物理定律。這些時(shí)空對稱性在數(shù)學(xué)上可以表示為能量、動(dòng)量和角動(dòng)量守恒定律。從這些對稱性本身我們可以推導(dǎo)出能量、動(dòng)量和質(zhì)量之間的關(guān)系式，例如著名的E=mc2。自從愛因斯坦于1905年提出狹義相對論以后，物理學(xué)家已經(jīng)對這些關(guān)系式有了充分的理解。
量子力學(xué)貌似遵守這些對稱性。物理學(xué)家甚至利用對稱性預(yù)言了新現(xiàn)象。例如，保羅·狄拉克（Paul Dirac）于1930年預(yù)言，將量子力學(xué)與相對論結(jié)合起來時(shí)，時(shí)空對稱性意味著，任何粒子都有一個(gè)與之對應(yīng)的反粒子（電荷相反）。由于在當(dāng)時(shí)并沒有人看到過反粒子，狄拉克的這個(gè)想法聽起來很瘋狂。但最終，狄拉克的想法被證明是正確的，他利用對稱理論做出了這個(gè)大膽而正確的預(yù)言：世界上的基本粒子數(shù)目是我們預(yù)期的兩倍。
超對稱理論依賴于一個(gè)與狄拉克觀點(diǎn)類似的論據(jù)。該理論假設(shè)，時(shí)空存在著一個(gè)量子延展空間——超空間（spacetime），粒子在這個(gè)超空間下具有對稱性。
超空間并不具有通常意義上的諸如“上—下”、“左—右”的空間維度，而是具有額外的費(fèi)米子維度（fermionic dimension）。費(fèi)米子維度下的運(yùn)動(dòng)是有限的。在普通空間維度下，你可以朝任何方向、任何距離做運(yùn)動(dòng)，對于運(yùn)動(dòng)步伐的大小和數(shù)目沒有限制。相比之下，在費(fèi)米子維度下，運(yùn)動(dòng)的步伐是量子化的，一旦你邁出一步，費(fèi)米子維度就“滿”了。如果你想多走幾步，要么選擇不同方向的費(fèi)米子維度，要么順著原來的費(fèi)米子維度再返回一步。
對于玻色子而言，在費(fèi)米子維度中前進(jìn)一步，意味著將會(huì)轉(zhuǎn)化為費(fèi)米子；對于費(fèi)米子而言，則會(huì)轉(zhuǎn)化為玻色子。此外，當(dāng)你在費(fèi)米子維度中前進(jìn)一步再返回原來的位置時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在普通的時(shí)間或空間下，自己也有了小小的變化。因此，在費(fèi)米子維度下的運(yùn)動(dòng)與普通運(yùn)動(dòng)，通過某種復(fù)雜的方式聯(lián)系在了一起。
為什么超對稱這么重要？因?yàn)樵诔瑢ΨQ世界中，費(fèi)米子維度上的對稱性限定了粒子之間的相互作用。尤其是所謂的自然超對稱理論（Natural Supersymmetry），這一理論極大地壓低了虛粒子效應(yīng)。自然超對稱禁止希格斯玻色子與高能粒子發(fā)生相互作用，從而避免我們變成黑洞。（非自然的其他超對稱理論要求有額外機(jī)制壓低虛粒子效應(yīng)）。物理學(xué)家要發(fā)展新的理論來理解標(biāo)準(zhǔn)模型，自然超對稱理論為其掃清了前進(jìn)道路上的障礙。
尋找超對稱
所有的超對稱理論都說明，每一個(gè)玻色子粒子都有一個(gè)費(fèi)米子伴子粒子（超對稱伴子）與之對應(yīng)，反之亦然。而已知的費(fèi)米子和玻色子中，沒有哪個(gè)粒子看起來像另一個(gè)粒子的超對稱伴子，因此只有在一種情況下超對稱理論才能是正確的：宇宙中存在大量的、還未被探測到的超對稱伴子粒子。
而困難也來于此。最簡潔、最有競爭力的超對稱理論版本——自然超對稱理論規(guī)定，超對稱伴子的質(zhì)量不能重于希格斯玻色子的質(zhì)量。這意味著我們應(yīng)該可以在LHC上探測到超對稱伴子。事實(shí)上，如果在10年前你問物理學(xué)家是否能找到超對稱伴子，他們中的大多數(shù)人會(huì)猜想，到現(xiàn)在我們應(yīng)該已經(jīng)找到了超對稱伴子存在的證據(jù)。
但事與愿違，我們目前還沒有發(fā)現(xiàn)任何可靠證據(jù)。我（本文作者斯皮羅普盧）還記得在2009年，作為CMS探測器值班領(lǐng)導(dǎo)的那個(gè)午夜，當(dāng)時(shí)控制室里擠滿了物理學(xué)家，每個(gè)人負(fù)責(zé)監(jiān)視這個(gè)14 000噸的超級復(fù)雜探測器的不同子系統(tǒng)。凌晨兩點(diǎn)，我接到來自LHC環(huán)形對撞機(jī)另一側(cè)的CERN控制中心的電話：今晚終于要來了，他們將要實(shí)現(xiàn)曾經(jīng)設(shè)想的最高能量的質(zhì)子—質(zhì)子對撞。
我發(fā)出指令，小心啟動(dòng)CMS探測器的每一個(gè)部分，將探測器中較為脆弱的部分留到最后運(yùn)行。凌晨4:11分，整個(gè)探測器啟動(dòng)了。此時(shí)，整面墻上的監(jiān)視器在狂亂地變化，超快的電子閃爍顯示著在100米地下發(fā)生的超多對撞（每秒鐘發(fā)生20 000 000次對撞）的數(shù)據(jù)。在伊利諾斯州的費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室，我利用Tevatron對撞機(jī)來尋找超對稱跡象已有10年，因此我滿心期待著，這次能夠識(shí)別到預(yù)期中的特定信號(hào)。我告訴自己要保持冷靜，這僅僅是開始——通過目測來研究對撞結(jié)果，這聽起來非常讓人心動(dòng)，但這種方式是不可能勝任如此重要的發(fā)現(xiàn)的。
事實(shí)上，像LHC這樣花了100億美元建造的一個(gè)巨型對撞機(jī)，你不能期待在它啟動(dòng)后的第一個(gè)晚上、甚至是第一年內(nèi)就發(fā)現(xiàn)什么。盡管如此，在LHC運(yùn)行初期我們還是抱有極高期望。在CMS（以及ATLAS）上，我們制定了詳盡的計(jì)劃，希望利用LHC的首批數(shù)據(jù)去發(fā)現(xiàn)超對稱。對于超對稱信號(hào)中的暗物質(zhì)粒子，我們的計(jì)劃是，不直接尋找，而是利用“丟失的能量”來尋找：可見粒子在被不可見物質(zhì)反沖后，會(huì)產(chǎn)生明顯的不平衡跡象。我們甚至想到要寫一篇關(guān)于這類發(fā)現(xiàn)的文章，并擬好了文章的日期和題目。
這篇文章到現(xiàn)在也沒有寫成。實(shí)驗(yàn)幾乎排除了大多數(shù)可能的超對稱伴子隱藏方式，僅有一小部分還沒有經(jīng)過探測。這些超對稱伴子質(zhì)量不可能很輕，不然我們早該發(fā)現(xiàn)它們了；但也不能很重，因?yàn)檫@不能滿足自然超對稱理論的要求：這種超對稱會(huì)有效地壓低虛粒子的效應(yīng)。如果在LHC的下一期運(yùn)行中還是沒有發(fā)現(xiàn)超對稱伴子，或者沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一場物理學(xué)危機(jī)將會(huì)到來。
多重宇宙、額外維與量綱變換
對于更普遍意義上的超對稱思想，雖然它并不能勝任自然超對稱理論的所有工作，但是理論學(xué)家并不打算放棄這種思想。我們之前提到過，超對稱理論不是一個(gè)模型，而是關(guān)于構(gòu)造世界模型的框架。所以，即使目前的所有超對稱模型都被一一排除，將來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能依然會(huì)支持超對稱思想。
普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton）的物理學(xué)家尼馬·阿爾卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）曾在加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的卡維里理論物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics）做過一次演講，在演講中他提到了超對稱的未來發(fā)展。當(dāng)時(shí)，房間內(nèi)擠滿了聽眾，尼馬在黑板前來回走動(dòng)，他問道：如果在LHC上沒有發(fā)現(xiàn)超對稱該怎么辦？在聽眾回答之前，尼馬自己回答了這個(gè)問題：那么我們可以構(gòu)建新的超對稱模型，使得超對稱伴子在實(shí)驗(yàn)探測能力之外。這不是意味著我們要改寫故事嗎？不過這也沒什么問題，物理學(xué)家不需要始終如一，只要他們的理論能夠自圓其說就可以了。
大多數(shù)物理學(xué)家堅(jiān)信，超對稱理論是正確的。但是，粒子物理理論學(xué)家不得不承認(rèn)，自然超對稱理論已經(jīng)遇到了麻煩。除非科學(xué)家在不久的將來能夠發(fā)現(xiàn)超對稱伴子，否則該理論將會(huì)被扔進(jìn)垃圾箱里。在科學(xué)史中，也遇到過這樣的難題，并最終導(dǎo)致了科學(xué)范式的轉(zhuǎn)換。例如一個(gè)多世紀(jì)以前，正是尋找“以太”（luminiferous ether）工作的失敗，才導(dǎo)致了狹義相對論的提出。
如果超對稱并非這個(gè)世界的正確描述方式，什么理論能夠取代它？下面是三種不同的可能答案。它們代表了科學(xué)家在基本物理和宇宙學(xué)上新的思考方向。
■ 多重宇宙（multiverse）：基本力的強(qiáng)度、基本粒子的質(zhì)量以及質(zhì)量起源依然是一個(gè)謎團(tuán)。我們并不認(rèn)為粒子質(zhì)量是隨意確定的，因?yàn)槿绻Ｗ淤|(zhì)量稍稍變化，我們生活的宇宙就會(huì)發(fā)生巨大改變。例如，原子的形成過程就會(huì)遇到麻煩，生命的進(jìn)化也不會(huì)發(fā)生。按照理論物理學(xué)家的說法，我們現(xiàn)在生活的宇宙貌似是經(jīng)過“精細(xì)調(diào)節(jié)”的。超對稱理論試圖去解釋，為何這些參數(shù)會(huì)有現(xiàn)在的取值。這為理解更深層次的物理機(jī)制開辟了道路。但是，如果這條道路根本就不存在，又將會(huì)如何？
假若那樣，我們只好去考慮這種可能性：精細(xì)調(diào)節(jié)只是一個(gè)隨機(jī)事件——當(dāng)你假設(shè)存在多重宇宙時(shí)，這種想法就變得更加有吸引力。在多重宇宙論的圖景下，大爆炸不僅僅產(chǎn)生了我們看到的這個(gè)宇宙，同時(shí)還產(chǎn)生大量的我們無法看到的變形宇宙。假若這樣，關(guān)于“電子為何具有目前的質(zhì)量”這個(gè)問題，答案就成為了“這只是個(gè)隨機(jī)抽簽——在其他宇宙中存在不同種類、不同質(zhì)量的電子?！蔽覀兯闷娴木?xì)調(diào)節(jié)問題，僅僅是宇宙歷史中的隨機(jī)事件。在這個(gè)宇宙中，精細(xì)調(diào)節(jié)的參數(shù)能夠允許有生命的產(chǎn)生與進(jìn)化，也才會(huì)有物理學(xué)家質(zhì)疑，為什么他們在LHC上沒有發(fā)現(xiàn)自然超對稱的跡象。
但是，對于大多數(shù)物理學(xué)家而言，多重宇宙論的解釋無法令人確信，這和“將粒子物理中的反常歸因于隱身天使”沒什么區(qū)別。2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主戴維· 格羅斯（David Gross）就曾說過：訴諸于不可知的初始條件其實(shí)是意味著“放棄”。
■ 額外維（extra dimensions）：美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）和馬里蘭大學(xué)的拉曼· 桑卓姆（Raman Sundrum）已經(jīng)證明，具有彎曲幾何特性的額外維可以解釋，為何引力的強(qiáng)度要弱于其他已知力。如果這些額外維是微觀的，我們可能還沒有注意到它們，但是它們的大小和形狀會(huì)對高能粒子物理產(chǎn)生巨大影響。在這類模型中，我們要在LHC上尋找的并不是超對稱伴子，而是一類奇異的重粒子——克魯札－克萊因模式（Kaluza-Klein mode），其質(zhì)量實(shí)際上是它們在額外維度上的運(yùn)動(dòng)的能量。
■ 量綱變換（dimensional transmutation）：在這種理論中，不再需要借助超對稱理論來壓低虛粒子效應(yīng)，而是提出一個(gè)包含這種效應(yīng)的新想法，從而解釋質(zhì)量的起源。以質(zhì)子為例。質(zhì)子并非基本粒子，而是由三個(gè)質(zhì)量很小的夸克以及無質(zhì)量的膠子（gluon） 組成。質(zhì)子的質(zhì)量比構(gòu)成它的夸克和膠子的質(zhì)量總和要重，那么超出的那部分質(zhì)量是怎么得來的呢？這是由維持質(zhì)子的“強(qiáng)”力所產(chǎn)生的能量場給出的。研究、理解了這些場之后，科學(xué)家能夠做到，只根據(jù)一些普通數(shù)值（例如π）就可以準(zhǔn)確預(yù)言質(zhì)子的質(zhì)量。
這是粒子物理學(xué)中一個(gè)很奇怪的情況。通常，我們只能利用其他質(zhì)量來計(jì)算未知質(zhì)量。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型理論讓我們無法預(yù)測希格斯玻色子的質(zhì)量，于是只能靠測量去確定其質(zhì)量?？紤]到我們能夠清晰、準(zhǔn)確地預(yù)言質(zhì)子質(zhì)量，這貌似是一個(gè)明顯的錯(cuò)誤。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家威廉·A·巴?。╓illiam A. Bardeen）做過一個(gè)開創(chuàng)性的研究工作，基于這些結(jié)果，一些激進(jìn)的理論學(xué)家現(xiàn)在建議，希格斯粒子的質(zhì)量是通過類似過程產(chǎn)生的，即所謂的量綱變換。
如果這種理論需要保留有用的“壓低虛粒子效應(yīng)”，從而避免災(zāi)難的發(fā)生（在其他理論中通常是由超對稱來保證），那么就意味著，要放棄一些流行的、猜測“在超高能下物理規(guī)律是如何統(tǒng)一”的想法。這也會(huì)使科學(xué)家長期探索的量子力學(xué)和廣義相對論之間的聯(lián)系，變得更加神秘。但是這種理論也有其他優(yōu)點(diǎn)。這類模型能夠使暗物質(zhì)粒子獲得質(zhì)量。另外，模型還預(yù)言，暗物質(zhì)以希格斯玻色子為媒介粒子，與普通物質(zhì)產(chǎn)生相互作用。這一大膽的猜測，也許會(huì)在未來幾年內(nèi)的LHC實(shí)驗(yàn)和地下暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)中得到證明。
希格斯粒子可能還能提供其他線索：希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)表明，宇宙中充滿了希格斯場，該場使得基本粒子獲得質(zhì)量。這意味著所謂“空”的真空并不空，而是充滿了希格斯場和虛粒子，它們時(shí)刻發(fā)生著復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)變化。有人可能會(huì)好奇，真空是否真正穩(wěn)定，會(huì)不會(huì)在某天發(fā)生一些倒霉的量子事件，從而觸發(fā)宇宙發(fā)生災(zāi)難性的轉(zhuǎn)變，變?yōu)橐黄瞻?。超對稱可以使真空保持穩(wěn)定，并避免上述災(zāi)難事件的發(fā)生。但是，如果沒有超對稱，真空的穩(wěn)定性將敏感地依賴于希格斯粒子的質(zhì)量：稍重的希格斯粒子代表穩(wěn)定的真空，而輕的希格斯粒子則代表著世界末日。然而出乎意料的是：我們目前探測出的希格斯粒子質(zhì)量，恰恰處在“世界末日”的邊緣。這意味著我們處在一個(gè)可以長期存活、但從根本上說并不穩(wěn)定的真空狀態(tài)（見“厄運(yùn)邊緣”）。自然界可能試圖告訴我們什么消息，但我們卻不知道具體是什么內(nèi)容。
暗物質(zhì)信號(hào)：前進(jìn)的燈塔
如果LHC在下一期運(yùn)行時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)超對稱伴子，通向超對稱世界的大門將會(huì)開啟，部分粒子物理學(xué)家也將結(jié)束目前的苦惱狀態(tài)并變得無比興奮。一次瘋狂的智力冒險(xiǎn)將會(huì)開始。
但是，如果沒有找到超對稱伴子，對于量子物理的基本理解將面臨一個(gè)范式變化。這將會(huì)促使我們徹底重新思考宇宙結(jié)構(gòu)下的基本現(xiàn)象。對希格斯玻色子性質(zhì)進(jìn)行更深入的理解，將是構(gòu)建新范式極為重要的事情。一直以來，暗物質(zhì)都是粒子物理中“孤獨(dú)但執(zhí)著的局外人”的身份，但與暗物質(zhì)有關(guān)的信號(hào)，最終或許會(huì)成為指明前進(jìn)方向的燈塔。
聯(lián)系客服
