粒子物理学停滞不前的噩梦该怎样打破?

科普中国 叶凌远 编译

十年前,粒子物理学家让整个世界为之振奋。欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC)是世界最大的粒子加速器。2012年7月4日,在这里工作的6000多名研究人员宣布,他们发现了希格斯(Higgs)玻色子的踪迹。这是一种质量极高、寿命极短的粒子,是解释其他基本粒子如何获得它们质量的关键。这一发现证实了一个当时已具有48年历史的理论预言,完善了一个被称为标准模型的物理理论,并将物理学家们推到了聚光灯下。

希格斯粒子的存在性最早由Peter Higgs于1964年提出。在很长一段时间内,物理学家们——包括Higgs本人,都不清楚这一假设背后的物理意义。但随着时间的推移,人们逐渐意识到希格斯玻色子在粒子物理中所扮演的重要角色。它是标准模型所缺失的最后一块拼图,该粒子(或更准确地说激发该粒子的希格斯场)是所有粒子存在质量的原因。质量并不如人们原来所设想的那般为粒子的内在禀赋;相反,它是粒子们与弥散在整个宇宙中的希格斯场相互作用的结果。物理学家们几十年前就已相信这一理论,但直到2012年它才真正被实验所证实。

希格斯玻色子的发现是粒子物理学一个不朽的成就:它标志着长达数十年的探索之旅告一段落,也开启了研究这种极其特殊的粒子的新时代。但紧接着,这一领域便陷入了狂欢后漫长的宿醉。早在这27公里长的环形大型强子对撞机于2010年开始正式采集数据之前,物理学家们便担心它或许只能产生希格斯粒子,而无法对标准模型之外可能存在的新物理留下任何线索。目前,这噩梦般的情形正一步步变为现实。“这有些令人失望,”加州理工学院的物理学家Barry Barish说道,“我以为我们会发现超对称(supersymmetry)。”这是扩展标准模型的一种主流物理理论。

不过许多物理学家表示,现在就绝望还为时过早。经过三年的升级,大型强子对撞机正卯足了劲,准备进行计划中五轮实验里的第三轮。它每秒会产生数十亿次的质子-质子对撞,新粒子便可能诞生于其中。人工智能的发展也带来了新的机遇——若在十年前,大部分物理学家可能会对用神经网络来分析数据的想法嗤之以鼻。但在许多更为年轻的研究员以及工业界合作伙伴的帮助下,一个专门的神经网络已搭建完毕,它能帮助物理学家们在海量的数据中搜索值得进一步研究的现象。大型强子对撞机还会再运行16年,且随着进一步升级,它收集的数据量将达到已经收集数据的16倍。所有这些数据都可能蕴含着新粒子和新物理的微妙踪迹。

然而,一些研究学者也认为对撞物理实验已经时乖运蹇、日暮穷途了。芝加哥大学的物理学家Juan Collar在一些小型实验中寻找暗物质的踪迹:“如果他们仍没有任何发现,整个领域便会沉寂消亡。”伦敦国王学院的理论物理学家John Ellis则表示,在这一领域取得突破的希望已经被漫长且不确定的探索前景所磨碎,最终的失败会像拔牙一样突然且痛苦,不会只如牙齿自然掉落一般无声无息。

自上个世纪70年代以来,物理学家就一直在与粒子物理的标准模型角力。依照该模型,普通物质由被称为上夸克和下夸克的轻质量粒子——它们每三个结合在一起,形成质子和中子——以及电子和几乎没有质量、被称为电子中微子的粒子构成。两组更重的粒子则一直潜伏在真空内,仅仅会在粒子碰撞所产生的冲击中稍纵即逝地显现。所有的粒子都通过交换其他粒子的形式相互作用:光子传递电磁力,胶子传递把夸克捆绑在一起的强相互作用力,而大质量的W和Z玻色子则传递弱相互作用力。

标准模型描述了科学家们迄今为止在粒子对撞机中所观察到的一切现象。然而,它不可能是有关自然界的终极理论。它无法描述引力,也并不包括神秘的、不可见的暗物质。在宇宙中,暗物质和普通物质的质量比可能约为6:1。标准模型中囊括了中微子,但人们仍不能为其极低的质量提供解释;显然普通物质也由标准模型描述,但人们同样不知道其如何在宇宙大爆炸后胜过反物质,占据了主导地位。围绕希格斯玻色子本身也还有很多谜团亟待解决。

大型强子对撞机本应打破这一僵局。在它的环形结构中,两个朝相反方向循环的质子撞在一起,产生其他地方无法获得的重型粒子,这其中的能量达到了以往任何对撞机所能达到的七倍还多。十年前,许多物理学家都设想能在大型强子对撞机中迅速发现一些新现象,包括新的传递相互作用的介质粒子甚至是迷你黑洞。德国DESY实验室粒子物理学主任Beate Heinemann回忆,人们以为会被淹没在产生的超对称粒子中。物理学家们那时普遍认为,找到希格斯粒子可能会需要更长的时间。

但没有预料到的是,仅在短短3年内,希格斯粒子便被迅速地发现了。部分原因是它的质量比许多物理学家预期的要小,大约仅为质子的133倍。若其质量超过了大型强子对撞机的能量上限,或其与其他粒子的相互作用较弱,我们根本就没有发现它的希望。Higgs本人就曾表示,他从未预想过能在他有生之年发现希格斯粒子存在的证据,这无疑是粒子物理学中里程碑式的结果。但在这之后的10年,物理学家们还没有发现其他任何新粒子。

新现象的贫瘠挑战着物理学家们所珍视的几个原理。自然性(naturalness)原则指的是在一个理论中,物理常数构成的无量纲比值应该与1同阶。据此,希格斯粒子质量较低或多或少地保证了在大型强子对撞机所能达到的能量范围内还存在着新的未知粒子。根据量子力学的原则,任何游荡在真空中的虚粒子都会与真实的粒子相互作用并影响其性质——这正是虚希格斯玻色子赋予其他粒子质量的方式。希格斯粒子的质量本应被真空中其他的标准模型粒子大幅拉高,特别是顶夸克,然而事实并不如此。因此理论学者推断,至少还有一种具有类似质量和恰到好处的物理特性——特别是不同自旋——的新粒子存在于真空中,以“自然地”抵消顶夸克所产生的影响。

超对称理论能够提供这种粒子存在的依据:对于每个已知的标准模型粒子,它都假设存在一个具有不同自旋且质量更重的伙伴粒子。这些伙伴粒子不仅可以保证希格斯粒子的质量不过高,同时还能帮助解释希格斯场是如何产生的。

但是在过去的十年,人们仅仅发现了一些实验观测结果和标准模型预测之间的微小差异,而这些反常现象并不指向人们所希望存在的新粒子。例如在2017年,利用底夸克探测器(LHCb,大型强子对撞机四个主要粒子探测器之一)进行实验的物理学们家发现,B介子(一个包含重质量底夸克的粒子)有更大概率衰变为电子和正电子,而不是衰变为μ子和反μ子——依照标准模型,这两个概率应该是一样的。类似的,也有实验表明μ介子的磁性可能比标准模型所预测的稍强一些。

希格斯粒子本身也提供了其他的探索方向。2020年8月,在大型强子对撞机超环面仪器(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)探测器工作的物理学家团队宣布,他们都发现了希格斯粒子衰变为μ子和反μ子对的现象。费米国家加速器实验室的理论物理学家Marcela Carena表明,如果这种罕见的衰变具有与理论预测值不同的速率,这种偏差就可能预示着隐藏在真空中的新粒子。

物理学家们将在大型强子对撞机下一次为期三年的实验中对这些现象进行探索。然而,这些探索可能不会导致戏剧性的“尤里卡!”时刻。Heinemann说:“现在的实验正朝着以极高精度测量微妙现象的方向转变。”不过,Carena表示,“我非常怀疑在20年后,我会说,‘哦,孩子,在希格斯粒子发现之后,我们什么新东西也没有学到。’”

若把希格斯玻色子的发现过程看作登上一座山,则当Higgs最早提出他的理论时,我们甚至不知道这山脉到底在哪里,或者它可能有多高——粒子物理学的标准模型甚至都并不完整。人们只是模糊地意识到,在一座山峰的某个地方存在着希格斯粒子,它能真正证实整个标准模型结构的存在。到20世纪90年代末,我们才对这座山的高度有一点感觉;直到2012年,我们才最终登上了这座山峰。

但现在不同了,我们得从这座山的另一边下去,穿过荒芜的平原。这平原向前延伸着,也许一直触碰到普朗克尺度(宇宙中空间的最小尺度)。如果我们现在的预测是正确的,在平原的某处一定还有其他山脉,标志着物理学的又一高峰。或许我们能发现新的粒子,如轻夸克(leptoquarks,它可能是解释前文提到的有关B介子和μ介子反常现象的关键),甚至是超对称粒子或暗物质粒子;也许我们能解开有关希格斯粒子更多的谜团——希格斯粒子本身是一个基本粒子还是复合粒子?它能与暗物质相互作用吗?如果能,我们能通过它了解有关暗物质更多的信息吗?希格斯场是否通过自作用赋予希格斯粒子自身的质量?许多科学家对我们能解决这些问题持乐观的态度(尽管听起来有些像在画饼)。但至少,没有任何明确的迹象表明,我们必须穿越多远的平原才能看到这些新的山脉——这就是我们现在的处境和过去几十年之间的区别。

其他人对大型强子对撞机实验者们的机遇则没有那么乐观。明尼苏达大学双子城分校的物理学家Marvin Marshak就认为:“他们面对的是一片沙漠,而他们并不知道这片沙漠有多广茂。”为了解决上述这些问题,我们很可能需要大量制造希格斯粒子的能力,而这种能力是现在、甚至二十年之后的大型强子对撞机所无法具备的。欧洲核子研究中心正在筹划下一个能量更高的对撞机——未来环形对撞机(Future Circular Collider),作为以后的“希格斯工厂”。但即便是乐观主义者也认为,如果大型强子对撞机没有发现任何新的东西,那么将更难说服世界各国政府建造下一个更大、更昂贵的对撞机来保持这一领域的发展。

现如今,大型强子对撞机的许多物理学家们只是为能够继续回到质子对撞的工作中而感到兴奋。在过去的三年里,科学家们已经升级了探测器,并重新设计了对撞机的低能加速器部分。欧洲核子研究中心加速器和粒子束主任Mike Lamont说:现在,大型强子对撞机应该会有更稳定的碰撞率,能有效地将数据量增加50%之多。几个月来,加速器的物理学家们一直在缓慢地调整大型强子对撞机产生的粒子束。在粒子束流足够稳定后,他们会打开探测器,恢复数据采集,进行新一轮的实验,继续在黑暗的平原上迈进。

参考资料

[1] https://t.cn/A6Shu1F0

[2] https://t.cn/A6Shu1FC

[3] https://t.cn/A6Shu1FN

[4] https://home.cern/news/press-release/physics/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery

#军事新闻# 【真正的朋友在危难时刻才能看出来!】佩洛西窜访中国台湾地区,可以说是2022年下半年以来最重要的国际事件;各国纷纷围绕佩洛西窜访台湾问题发表声明,积极表态;在这些表态当中,我们终于看到朋友才是朋友,不是朋友的你永远无法强迫他成为朋友,而且他的心也不会跟你在一块儿啊,这真是非常清晰一目了然的事情。

在佩洛西窜访中国台湾之后,都有哪些国家给中国发声明表示支持呢?
来看一看这些朋友国家的声明——
首先,第一个就是俄罗斯外交部。俄罗斯外交部严正声明:台湾问题纯属中国内政,中方有权在台湾问题上采取必要措施,维护国家主权和领土完整。这是俄罗斯方面给予的态度,而且俄罗斯是由俄罗斯总统新闻秘书佩斯科夫亲自向媒体表示,俄罗斯在台湾问题上同中国保持团结一致,俄方尊重中国的主权和领土完整。
我们说,朋友终归是朋友,真正的铁杆朋友,在第一时间,他知道你需要什么,能够带给你什么,一定会旗帜鲜明地表达,我就站在你身后,这就是真正的伙伴关系。
同样在乌克兰事件爆发之后,中国也是如此热烈坚定地支持俄罗斯,我们毫不犹豫的买了一亿吨俄罗斯的石油和480亿立方米俄罗斯天然气,这就是实际行动。

其次,再来看另外一个支持我们的国家,这是巴铁。
巴基斯坦重申坚定奉行一个中国的政策,巴基斯坦已经是咱们的老铁,简称巴铁;那么长期以来,双方的合作支持都非常的密切。巴基斯坦外交部8月2日就佩洛西窜访中国台湾地区的问题发表声明,她说——重申坚定奉行一个中国的政策,坚定支持中国的主权和领土完整。巴基斯坦的发言,应该说简明了,直接非常直接,这就是老铁啊。坚信中国是对的。说实话,这么多年的感情没有白白培养,我们也相信巴基斯坦未来会越来越好,明天会越来越好。

第三,另外一个老铁就是伊朗,伊朗也是毫不犹豫地对美方干预中国内政的行为进行了谴责。伊朗外交部发言人卡纳尼当地时间8月2日严厉警告美国——作为联合国的一员,不要做出任何损坏他国主权和领土完整的行为。卡纳尼表示,伊朗坚持一个中国的原则;他们同时对美国严重干涉中国内政和侵犯中国主权的行为进行了批评,因为佩洛西这样的行为是非常不适当的,会导致台海区域出现紧张和冲突的行为,非常的不合适。
伊朗显然跟美国也是那么多年不对付,互相谴责来谴责去跟家常便饭一样。但是伊朗这次是为了中国跟美国谴责,那也不一样,那性质不一样。这才是真正老铁的行为,在未来的斗争当中,中国和伊朗将会继续站在一起对抗美国的霸权。

第四,在关键时刻,还有一个非常好的伙伴,就是朝鲜,那也是做出了重量级的表态。
朝鲜外交部强烈谴责佩洛西窜访台湾当前情况下,美国无耻的内政干涉行为和蓄意的政治军事挑衅是破坏地区和平安全的犯罪;台湾是中国不可分割的一部分,台湾问题属于中国内政。朝鲜外务省的发言可以说是非常到位,针针见血,准确扎中了美国的要害;这对于美国,对佩洛西就需要这样无情地批评。佩洛西完完全全是极度无耻的人。
所以我们对朝鲜的支持给予热烈的掌声,在更多的问题和事物上,中国也将坚定不移地支持朝鲜,希望朝鲜能够过得越来越好。
那其他的国家啊,我们就不一一细讲啊,只是谈一下名字:古巴外交部、委内瑞拉外交部、叙利亚外交部,巴勒斯坦和尼加拉瓜等等,这些国家都给予中国提出了明确的支持。此外,柬埔寨也反对美国侵犯中国主权的行径。
然后特别值得一提的是——联合国这次也是发声了,联合国在公开的言论上直接批评佩洛西无视中国主权的行为,而且坚决支持中国一个中国的原则,坚决支持中国维护自己国家主权和领土完整的行为;非常非常棒!联合国这次表现得很及时,很到位,然后西方国家的一些言论就不说了。
西方国家可以说也有一些民主人士,也有一些懂事儿的;但大多数都是无耻的政客,还有无耻的政客跳出来胡说八道,我们就不再一一评论。

简单总结一下——
佩洛西参访台湾这件事情,引起了全球舆论界剧烈的纷争,明显谁是朋友谁是敌人,一面倒的行为就非常清晰,一眼就能看出来。
其实国家和国家之间就跟谈恋爱是一样的;喜欢你的人,他就会站在你的身后,永远喜欢你;不喜欢你的人,你花再多钱跟他讲再多交情,吃再多次饭,他没有用,他在骨子里,他在内心里,他在他的潜意识里,他就对你是看不起;对你不待见。
现在美国带领的这些西方国家,包括七国集团啊,他们就是一个小圈子,这些国家大多数都发表了对中国不太友好的言论。那这些人就是属于那种你跟他再好,让他赚你再多钱,他都会不待见你那种。说句实在话,我并不是一个纯粹的民族主义者,我并不是说仇视他们,但是我觉得跟他们打太多交道,真的是浪费表情。
接下来的时间,中国应该是加强我们自身的建设,加强与朋友之间的往来,避免跟那些小人国家,无耻国家之间的往来。做好与西方国家翻脸的准备,这是没办法的事情;打心眼里放弃幻想,时刻准备战斗。

深夜落地厦门,夜色平静如常。感谢用友畅捷通的HR小伙伴帮我在大会两天现场做的动态捕捉,我是一个跑者型的学者,希望脚步所到之处,能够让个人的经验与热爱同组织内的管理者们产生共鸣与反思。人生总有一些老天给的任务要去完成,去驱散人生旅途的无聊,让自己在每一个灯火阑珊处,犹记得你我彼此传递的不灭的火。


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