如果能量級別遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有粒子加速器的能量范圍，目前流行的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型就會露出破綻。因此，無論大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)什么，都會把物理學(xué)帶入一個全新的境界。
為什么要建造大型強(qiáng)子對撞機(jī)？如果要求物理學(xué)家只用一個詞來回答，大部分人的答案會是“希格斯”。希格斯粒子是當(dāng)前物質(zhì)理論中最后一個尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，因此具有極大的吸引力。不過實(shí)際情況還要有趣得多。這臺新對撞機(jī)將使物理學(xué)家的探測能力躍上一個新臺階，幅度之大遠(yuǎn)勝于粒子物理學(xué)史上出現(xiàn)過的任何一臺機(jī)器。我們不知道它會發(fā)現(xiàn)些什么，但不論我們有什么新發(fā)現(xiàn)，或是遇到什么新難題，都必然會改變粒子物理學(xué)面貌，并波及其他相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域。
電磁作用和弱相互作用（weak interaction）是我們在日常生活中廣泛接觸的兩種自然力，在LHC即將探索的新世界里，我們有望了解這兩種力為什么會有所區(qū)別。我們還會對一些簡單而又深刻的問題增加新的理解，比如：為什么存在原子？為什么會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？是什么讓穩(wěn)定結(jié)構(gòu)得以維持？
尋找希格斯粒子是關(guān)鍵一步，但僅僅是個開始。在此基礎(chǔ)上揭示出來的現(xiàn)象，也許可以闡明引力為什么會比自然界的其他作用力弱許多，并揭開充斥在宇宙中的暗物質(zhì)的神秘本質(zhì)。建造LHC還有更深層次的目的，包括洞察物質(zhì)的不同形式、為外表截然不同的粒子統(tǒng)一歸類，以及了解時空的本性等。所有這些問題似乎都彼此關(guān)聯(lián)，而且都與最初促使科學(xué)家預(yù)言希格斯粒子的那一堆“疑難雜癥”有關(guān)。LHC將幫助我們厘清這些問題，引導(dǎo)我們踏上解答這些問題的探索之旅。
現(xiàn)有物質(zhì)理論
標(biāo)準(zhǔn)模型可以解釋已知世界的大部分現(xiàn)象，粒子方程的對稱性決定了粒子之間的作用力。
物理學(xué)家把一種粒子物理學(xué)理論稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”（Standard Model），它能解釋已知世界的大部分現(xiàn)象?！澳Ｐ汀倍直砻鳎@一理論尚未完工，仍在不斷發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)模型的主要內(nèi)容形成于上世紀(jì)七八十年代。在那段激動人心的歲月里，里程碑式的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，引發(fā)許多富有成效的學(xué)術(shù)討論，進(jìn)而催生出不少理論設(shè)想。許多粒子物理學(xué)家把最初10年視為萌芽階段，隨后的15年則是理論完善時期。標(biāo)準(zhǔn)模型得到了越來越多的實(shí)驗(yàn)支持，但超出其解釋范圍的現(xiàn)象也在不斷增加。新的理論設(shè)想擴(kuò)展了我們的觀念，讓我們認(rèn)識到世界原來如此豐富、如此廣闊?？偠灾瑢?shí)驗(yàn)和理論方面的持續(xù)進(jìn)展表明，未來10年，粒子物理學(xué)領(lǐng)域?qū)⑹只钴S。回首既往，我們會發(fā)現(xiàn)，原來這場革命一直都在醞釀之中。
根據(jù)現(xiàn)有理論，物質(zhì)主要由夸克（quark）和輕子（lepton）這兩大類粒子構(gòu)成，它們參與了已知四種基本作用力中的三種，即電磁作用、強(qiáng)相互作用（strong interaction）和弱相互作用。第四種基本作用力——引力，目前還被排除在粒子物理理論體系之外?？淇藰?gòu)成了質(zhì)子和中子，能夠參與全部三種作用力；輕子中最有名的當(dāng)數(shù)電子，它們不參與強(qiáng)相互作用。兩類粒子最主要的區(qū)別在于，夸克有顏色，而輕子沒有顏色——這里的“顏色”，只是一種與電荷類似的粒子屬性，和普通的顏色沒有任何關(guān)系，只是借用名詞而已。
［粒子物理學(xué)基礎(chǔ)］物質(zhì)是什么
如果深入觀察物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)物質(zhì)是由幾種基本粒子構(gòu)成的。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，粒子是一個沒有大小的幾何點(diǎn)。圖中顯示的粒子大小反映了它們的質(zhì)量。
方程的對稱性（symmetry）是標(biāo)準(zhǔn)模型遵循的指導(dǎo)原則。對稱的圓球，不論從哪個角度看過來都一樣。與此類似，改變定義方程所采用的視角，甚至在不同的時間和空間位置改變不同的幅度時，對稱的方程也不會發(fā)生變化。
為了確保幾何對稱，物體的形狀會受到極為嚴(yán)格的限制。如果圓球表面鼓起一個小包，它的對稱性就被破壞，不同的角度看過去，模樣也會有所不同。同樣，方程的對稱性也會讓方程受到嚴(yán)格限制。這些對稱性產(chǎn)生的作用力，由一類被稱為玻色子（boson）的特殊粒子傳遞。
“形式服從功能”是美國建筑大師路易斯沙利文（Louis Sullivan）的名言，不過標(biāo)準(zhǔn)模型完全顛覆了這句話。在粒子物理學(xué)中，理論的形式?jīng)Q定了它所描述的功能，即粒子方程的對稱性決定了粒子之間的作用力。強(qiáng)相互作用服從于夸克方程的對稱性：無論夸克的顏色如何選取，描述夸克的方程必須相同。這種作用力由8種被稱為膠子（gluon）的粒子傳遞。另外兩種作用力（電磁作用和弱相互作用）被合稱為“電弱”（electroweak）作用，服從于另一種方程對稱性。電弱作用由4種粒子傳遞，分別是光子（photon）、Z玻色子、W+玻色子和W-玻色子。
打破對稱
如果存在希格斯粒子打破電弱對稱性，原本存在致命缺陷的電弱理論就能精確解釋大量現(xiàn)象。
電弱作用理論由謝爾登格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文溫伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜勒薩拉姆（Abdus Salam）創(chuàng)立，他們也因?yàn)檫@項(xiàng)成就獲得了1979年度諾貝爾物理學(xué)獎。弱相互作用涉及放射性β衰變，并非作用于所有的夸克和輕子。這些粒子存在兩種互為鏡像的手征變化，分為左手征和右手征，β衰變中的作用力僅對左手粒子起作用。這一事實(shí)發(fā)現(xiàn)已有50年之久，但至今依然沒有得到解釋。左手粒子的這種代對稱性（family symmetry）有助于進(jìn)一步闡明電弱理論。
電弱理論剛提出時，存在兩個致命缺點(diǎn)。第一，它預(yù)言了4種傳遞長程力的規(guī)范玻色子（gauge boson），而自然界中僅有光子能夠傳遞長程力。另外3種粒子傳遞的都是短程力，作用范圍不超過10-17米，還不到質(zhì)子半徑的百分之一。根據(jù)海森堡不確定性原理，這么小的作用范圍，暗示傳遞這種作用力的粒子質(zhì)量必須接近1,000億電子伏特，即100 GeV（十億電子伏特）。第二個缺點(diǎn)是，代對稱性不允許夸克和輕子擁有質(zhì)量，而事實(shí)上，它們的質(zhì)量并不為零。
物理學(xué)家后來意識到，自然規(guī)律的對稱性并不一定非要在這些規(guī)律的結(jié)果中表現(xiàn)出來。這種現(xiàn)象被他們稱為“對稱性破缺”，幫助電弱理論擺脫了最初的尷尬局面。對稱性破缺的理論基礎(chǔ)，是由物理學(xué)家彼得希格斯（Peter Higgs）、羅伯特布魯（Robert Brout）、弗朗索瓦恩格勒特（Francois Englert）等人在20世紀(jì)60年代中期提出的。他們的靈感來自于一個看起來毫無關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象：超導(dǎo)電性（superconductivity）。某些材料在低溫下可以零電阻傳導(dǎo)電流，這種性質(zhì)就被稱為超導(dǎo)電性。盡管電磁定律本身是對稱的，但超導(dǎo)材料中的電磁行為卻并不對稱。光子在超導(dǎo)體中會獲得質(zhì)量，從而限制了電磁場滲入超導(dǎo)材料之中。
事實(shí)證明，這一現(xiàn)象成了電弱理論的完美原型。假如空間中充斥著一種能夠影響弱相互作用而不影響電磁作用的“超導(dǎo)體”，給W和Z玻色子賦予質(zhì)量，它就能限制弱相互作用的作用范圍。構(gòu)成這種“超導(dǎo)體”的粒子被稱為“希格斯玻色子”。通過與希格斯玻色子的相互作用，夸克和輕子也能獲得質(zhì)量。這些粒子本身沒有質(zhì)量，而是通過這種方式獲得了質(zhì)量，因此它們?nèi)匀槐Ａ袅巳跸嗷プ饔盟蟮膶ΨQ性。
包含了希格斯粒子的現(xiàn)代電弱理論，能夠非常精確地解釋大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。事實(shí)上，夸克和輕子以規(guī)范玻色子為中介發(fā)生相互作用的范例，不僅徹底改變了我們關(guān)于物質(zhì)的概念。還向我們表明，如果粒子獲得了很高的能量，強(qiáng)、弱和電磁相互作用有可能統(tǒng)一為同一種相互作用。電弱理論在概念上大獲成功，但它并不完善。它能說明夸克和輕子如何獲得質(zhì)量，但并沒有預(yù)言它們的質(zhì)量各是多少。對希格斯玻色子自身的質(zhì)量，電弱理論同樣語焉不詳——這種粒子必須存在，但理論無法預(yù)言它的質(zhì)量。粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)中的許多突出問題，都與“電弱對稱性究竟如何破缺”這個問題密切相關(guān)。
標(biāo)準(zhǔn)模型的局限
希格斯粒子的質(zhì)量決定了電弱理論的適用范圍，同時也帶來了另一個有趣的矛盾——級列問題。
受到20世紀(jì)70年代一系列觀測結(jié)果的鼓舞，理論學(xué)家們開始認(rèn)真看待標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至開始探索它的局限性。1976年底，我和美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的李輝昭（Benjamin W. Lee）、目前在美國弗吉尼亞大學(xué)的哈里B 撒克（Harry B. Thacker）共同設(shè)計(jì)了一個思想實(shí)驗(yàn)，研究能量極高時電弱相互作用會有怎樣的行為。我們設(shè)想了W、Z和希格斯玻色子發(fā)生對撞時的情景。這個思想實(shí)驗(yàn)似乎有點(diǎn)不切實(shí)際，因?yàn)楫?dāng)時還沒有觀測到其中任何一種粒子。不過，物理學(xué)家有義務(wù)假設(shè)這些粒子全都真實(shí)存在，通過這種方式對所有理論加以檢驗(yàn)。
我們發(fā)現(xiàn)，這些粒子產(chǎn)生的作用力之間存在著微妙的相互影響。如果擴(kuò)展到能量極高的情況，只有在希格斯玻色子的質(zhì)量不超過1 TeV（萬億電子伏特）時，我們的計(jì)算才有意義。如果希格斯粒子的質(zhì)量小于1 TeV，那么在所有的能量狀態(tài)下，弱相互作用都將保持微弱狀態(tài)，電弱理論也將始終有效。如果希格斯粒子的質(zhì)量大于1 TeV，弱相互作用就會在萬億能標(biāo)附近增強(qiáng)，奇異粒子的種種異象也會隨之而來。找到這樣一個判定條件十分有趣，因?yàn)殡娙趵碚摕o法直接預(yù)言希格斯粒子的質(zhì)量。這一質(zhì)量臨界點(diǎn)意味著，當(dāng)LHC把我們帶入萬億能標(biāo)，將我們的思想實(shí)驗(yàn)變成現(xiàn)實(shí)之時，必定會有某種新發(fā)現(xiàn)——要么找到希格斯玻色子，要么找到一些新的物理現(xiàn)象。
過去的實(shí)驗(yàn)或許已經(jīng)觀察到了希格斯粒子所施加的幕后影響，這種效應(yīng)是海森堡不確定性原理的另一種結(jié)果。不確定性原理暗示，希格斯玻色子之類的粒子出現(xiàn)的時間極短，無法被直接觀測，但足以在粒子反應(yīng)過程中留下可以察覺的微弱痕跡。位于歐洲原子能研究中心（CERN）的大型正負(fù)電子對撞機(jī)，曾經(jīng)檢測到了這只“幕后黑手”的作用，LHC所用的隧道就是大型正負(fù)電子對撞機(jī)的舊址。將精確的測量數(shù)據(jù)和理論作一個比較，結(jié)果強(qiáng)烈暗示希格斯粒子確實(shí)存在，而且質(zhì)量不超過192 GeV。
如果希格斯粒子的質(zhì)量小于1 TeV，就會引出一個有趣的矛盾。在量子理論中，質(zhì)量之類的物理量并不是固定不變的，許多量子效應(yīng)都會影響它們的取值。就像希格斯粒子可以對其他粒子施加幕后影響一樣，其他粒子也可以對希格斯粒子施加同樣影響。這些粒子在某個能量范圍內(nèi)施加影響，總影響程度取決于標(biāo)準(zhǔn)模型究竟在多高的能量上失效。如果標(biāo)準(zhǔn)模型在低于1012 TeV（強(qiáng)相互作用和電弱相互作用實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的能標(biāo)）的能量范圍內(nèi)始終有效，那些具有超高能量的粒子就會作用于希格斯粒子，給它賦予遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 TeV的質(zhì)量。可是，為什么希格斯粒子的質(zhì)量看起來會低于1 TeV呢？
這個矛盾被稱為級列問題（hierarchy problem）。解決辦法之一是，增加或減少不同粒子的數(shù)目，達(dá)到一個不穩(wěn)定平衡，使它們的影響彼此抵消。不過，物理學(xué)家已經(jīng)開始懷疑，更深次的物理學(xué)原理也許并不要求這種無限精確的相互抵消。因此，我和許多同事一樣，認(rèn)為希格斯玻色子和新物理現(xiàn)象很可能都會在LHC中現(xiàn)身。
［如何解決級列問題］：尋找物理學(xué)新定律
不管是什么原因讓希格斯粒子的質(zhì)量保持在萬億能標(biāo)附近，這種解釋一定會超出標(biāo)準(zhǔn)模型的范疇。理論學(xué)家提出了許多可行的解決方案，大型強(qiáng)子對撞機(jī)將對這些方案加以檢驗(yàn)。以下是三種頗有前途的方案：
超對稱：希格斯粒子與所謂“虛粒子”（virtual particle，夸克、輕子及其他粒子的“翻版”）的相互作用，是導(dǎo)致希格斯粒子質(zhì)量增加的原因。不過，如果每種粒子都有一種超伴子與它配對，它們作用就會相互抵消，讓希格斯粒子的質(zhì)量不至于升高。
人工色模型：也許希格斯粒子不是真正的基本粒子，而是其他基本粒子的組合，就像質(zhì)子由夸克和膠子組合而成一樣。如此一來，希格斯粒子的質(zhì)量主要將取決于那些基本粒子的能量，對那些可以增加質(zhì)量的超高能過程也不會再如此敏感。
超維：如果在我們熟悉的三維以外，空間還存在其他的維度，粒子在高能情況下的相互作用可能就完全不同，大統(tǒng)一所需的能量可能也不像物理學(xué)家現(xiàn)在所認(rèn)定的那么高。這樣一來，超高能過程的能量將大大降低，級列問題也就不成問題了。
形形色色的奇異粒子
理論學(xué)家已經(jīng)探索了許多種方法，其中一些也許可以解決級列問題。
超對稱假說（supersymmetry）是主要候選理論之一。該假說認(rèn)為，每個粒子都有一個尚未被發(fā)現(xiàn)的、自旋不同的超伴子（superpartner）。如果大自然嚴(yán)格遵從超對稱性，粒子與超伴子的質(zhì)量必定相同，它們對希格斯粒子的影響則精確抵消。果真如此的話，物理學(xué)家早就該找到超伴子了。因此，就算超對稱存在，也一定是個破缺的對稱。如果超伴子的質(zhì)量小于1 TeV，對希格斯粒子的總影響也會小到可以接受的程度。這樣一來，LHC就有可能探測到這些超伴子。
人工色模型（technicolor）是另一個候選理論。該模型假設(shè)希格斯玻色子并不是真正的基本粒子，而是由一些尚未被觀測到的成分構(gòu)成的。（“人工色”這一術(shù)語，是從定義強(qiáng)相互作用的色荷泛化而來的。）果真如此的話，希格斯粒子就擁有更復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造。把希格斯粒子約束在一起的作用力的能量特征約為1 TeV，發(fā)生在這一能量附近的對撞，將讓我們有機(jī)會窺探希格斯粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而揭露它的構(gòu)成本質(zhì)。和超對稱假說一樣，人工色模型也暗示，LHC將發(fā)現(xiàn)大量形態(tài)各異的奇異粒子。
第三種設(shè)想非常誘人。這種設(shè)想認(rèn)為，隨著我們在越來越小的尺度上展開探索，級列問題會迎刃而解，因?yàn)槌宋覀兪煜さ娜齻€空間維度以外，空間還存在著其他的維度。超維的存在可能會改變相互作用強(qiáng)度隨能量的變化方式，甚至改變相互作用統(tǒng)一的過程。在這種情況下，相互作用的統(tǒng)一及新物理現(xiàn)象的出現(xiàn)，不一定要發(fā)生在1012 TeV，可能在低得多的能量上就會出現(xiàn)。具體低到什么程度，則與超維的尺度大小有關(guān)，甚至有可能低到只有幾個TeV。這樣的話，LHC也許就能一窺超維的秘密。
另外一個跡象表明，在萬億能標(biāo)下會出現(xiàn)一些新現(xiàn)象。宇宙中的大部分物質(zhì)由暗物質(zhì)構(gòu)成，而暗物質(zhì)本身似乎是一類新奇的粒子。如果這種粒子的相互作用強(qiáng)度與弱相互作用類似，只要它的質(zhì)量介于大約100 GeV到1 TeV之間，大爆炸就能產(chǎn)生足夠數(shù)目的粒子，解釋宇宙中暗物質(zhì)所占的物質(zhì)比例。無論如何，級列問題的解決也許能為暗物質(zhì)粒子提供一個候選者。
地平線上的革命
各種加速器實(shí)驗(yàn)的首要目的就是，對這個新世界展開徹底探索。也許電弱對稱破缺的原因、級列問題和暗物質(zhì)的本質(zhì)等問題，都可以在這個新世界里找到答案。即將啟用的大型強(qiáng)子對撞機(jī)將替代目前仍在運(yùn)轉(zhuǎn)的萬億電子伏特正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)。有了更加趁手的實(shí)驗(yàn)工具，物理學(xué)家們倍受鼓舞，找到那些問題的答案似乎也指日可待了。這些答案不僅會給粒子物理學(xué)交上一份令人滿意的答卷，還將加深我們對于周邊世界的理解。
不過，就算這些期待全部實(shí)現(xiàn)，探索之旅也遠(yuǎn)未走到盡頭。LHC應(yīng)該可以找到將所有作用力全部統(tǒng)一的線索，也能找到粒子質(zhì)量遵循某種合理布局的跡象。物理學(xué)家提出的有關(guān)新粒子的任何一種解釋，都會對已知粒子的某些罕見衰變產(chǎn)生一定的影響。揭開電弱相互作用的神秘面紗，很可能會加深我們對這些問題的理解，改變我們思考這些問題的方式，啟迪我們設(shè)計(jì)未來更加強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)，對物理理論展開更深入的探索。
1935年，為了解釋核力，物理學(xué)家湯川秀樹（Hideki Yukawa）預(yù)言了π介子的存在。這種粒子后來被英國科學(xué)家塞西爾鮑威爾（Cecil Powell）發(fā)現(xiàn)，鮑威爾也因此獲得了1950年度諾貝爾物理學(xué)獎。他采用的方法是，把高感光度的照相乳膠（photographic emulsion）放置在高山上，讓它們受到宇宙線的影響而曝光。他后來回憶說：“當(dāng)我取回照相乳膠，在布里斯托爾把它們沖洗出來的時候，我立刻意識到，一個全新的世界已經(jīng)展現(xiàn)在我們面前……就像我們闖入了一個有高墻環(huán)繞的果園，果園里的果樹受到精心呵護(hù)，枝葉茂盛，枝頭掛滿了各類已經(jīng)成熟的奇異果實(shí)，而且數(shù)量眾多?！边@大概就是闖入萬億能標(biāo)后，我們第一眼將看到的情景。
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