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

有这么一些文字,总是觉得相见恨晚,比如图中的这段,王一一也是这个时候突然对读书没有那么热衷了,如果早点读到这段,知道这是个正常现象并且需要花不少精力去探索合适的方法然后去引导,也不会由于觉得是这个阶段的孩子的成长与书籍挑选的不对等引起的,以后会随着年龄心智的变化而有所改变,就任由其自由发展的想法,而失去了一个绝好的引导机会。

王一一小时候也有过类似的情况,比如在接触蒙特梭利的教育理念之前,虽然已经看过了很多书,请教了不少有孩子的父母对孩子的教育问题,脑子里还是没有系统的概念,没有系统性的科学的依据可以参考,教育孩子就凭自己所学到的只鳞片爪和各种百度来的方式逐个去试。大概王一一四五岁的时候我才接触蒙特利梭这种教育理念,如醍醐灌顶般突然找到了符合那些年来所追求的教育理念并且有一整套经过无数实验和实践的理论。
好在我们的养孩子的概念本来就比较贴近蒙特利梭所提倡的,所以虽然错过了最重要的前三年的启蒙阶段,错过了很多小孩子重要成长的节点,还是有给了王一一不少敏感期的正确引导。此外还有6岁之前剩余的两年,让我能更好更高效地陪伴她形成自己的一套人格。

还有一个故事,就是小时候王一一需要我不断重复讲同个故事的事情,我是通过限制给她讲故事的遍数,把她往她需要自己主动去学文字的渴望上面引导,直到好多年过后,我读到一篇相关的文字,才知道限制她的重复次数会错过她通过不断重复听故事,而深入体会故事情节,升华内心感悟,增进记忆力等方面的成长。

多接触点知识始终是好的,让我少走弯路,更加笃定地朝前走。

#朋友圈# 讲到朋友圈被曝光出去这事儿,我想起一段往事,而那个把我发的“分组可见”的朋友圈发给我前夫看的女性朋友,我真是每次想起来都觉得恶心。

离婚时,我29岁,某段时间里,我对前夫怨念颇深。

有好长一段时间,我在“被伤害的女人”和“需要保护孩子的母亲”这两个角色间来回穿梭。
理智上,我觉得自己应当放下所有的怨念,为孩子跟前夫和平相处;另外一方面,又无法安放自己的愤懑,因为我实实在在感受到了被伤害,我需要某种途径释放和宣泄掉那些不良情绪。

反正,活得颇为分裂和痛苦。

某天,我忽然跟前夫一个朋友的老婆聊了起来,在她跟我讲述了一大堆她婆家对她的薄待之后,我的心也敞开了,也跟她说了一堆谴责前夫及其家人的话,还发了一段“分组可见”的朋友圈(那个组里的人不超过十个)。

不料,她竟然把聊天记录和我的朋友圈截图发到了前夫能看到的地方。
她不是私下发给前夫,而是发到了前夫所在的一个群...........前夫大概是觉得面子上挂不住,和我一顿恶吵。

事后,我向前夫道歉,请他原谅我口不择言,请他看在孩子份上不要和我交恶。我说,离婚已给孩子带来伤害,如若我们交恶,会让孩子更感痛苦。
不得不说,这番道歉是极其不情愿的。

可是,那会儿我真的蛮脆弱.......处于自我怀疑最严重的时期。而且,我不知道这个事情是否会对孩子的利益造成影响,心里有太多害怕和担忧。

这个事情,让我对那个女性朋友深恶痛绝。

我问她:“为什么我跟你的聊天内容,我前夫会知道?为什么那条只有十个人有权限查看的朋友圈,前夫能拿到截图并原本原样发给我看?”

她回答:“不知道啊,你前夫的朋友——除了我老公,我一个人都不认识。”

我真的是不愿意相信她会贱到这种地步,会对我不怀好意到这种地步,就打了个电话给她老公,求证她说的“你前夫的朋友,我一个都不认识”这句话的真实性。
结果,两口子可能事先没有对过口径,她老公把她出卖了一个底掉儿。

当然,她老公明显是向着她的,一再说自己对这个事情不知情。
末了,还不忘记教育我:“你不说别人的坏话,别人不就不会传话了?”
我说:“你在私下里没有说过别人的坏话?”
他确定以及肯定地说:“没有。”
我说:“那你可真高尚。”

我没有把这个“女性朋友”对她婆家的恶评转告给她老公,也没有把她说的那些“你前夫家超级有钱,离婚时你不分点太可惜了”以及“你要是怀的是个儿子,你生孩子的时候你前夫根本不可能不陪产”之类的话当一回事。

我是这么想的:如果前夫捅了我一刀,我不屑、不忍心或不愿意捅回去,但又不可避免地感到疼痛难忍,所以在某种机缘的催化下,找个前夫听不到的地方表达心里的愤懑怎么了?事情最终变得复杂,是因为被你听了去并且把我当做笑柄四处传播,而前夫无法处理这种尴尬,便把所有气都撒我身上。

可是,我曾经掏心掏肺跟她说过那么多话,现在感受到的双重的屈服感、被出卖感和被愚弄感。

这种被人背后捅刀的滋味可真不好受。 在她不承认自己对我的“出卖”后,我说:“哦,那可能是我的VX不小心被人破解,所以,聊天记录和朋友圈都被泄露了。”

如果她是个聪明人,应该知道我不是真蠢,不是真的可以随意被愚弄,只是比她更善良,事已如此,还在努力给她一个台阶下。

可是,你知道她跟我说什么吗?她说:“你前夫可能早都找到女人了,你还在这里在意这些事情。你觉得有意思吗?你不觉得自己活得很失败吗?”

她轻巧地将她对我的出卖抹去,转而讽刺我“放不下”“活得很失败”。我倒抽了一口气,默默了拉黑她。我还找了个无人的地方,大哭了一场。不为别的,哭自己蠢。

哭完以后擦干眼泪,给她老公发了最后一通短信,感谢他曾给我提供的帮助(我生孩子的时候,他的确帮过忙的)。他回复我:“我没空看你写的那么多字。”看到短信,我当场愣住,觉得自己更蠢了。

现在想来,那时候的我,怎么活得这么软弱啊?换现在,我应该会骂他们家八辈祖宗,甚至提刀砍门。我也是很多年后才知道,这位女性朋友的工作是公公安排的。

而在我们决裂之前,我知道的她的信息是:她能忍受丈夫夜不归宿(是否出轨我不知道,与前夫同一个圈子的人,难说);

可就这样一个把我跟她说的话转手发给前夫的人,竟然讽刺我“活得失败”。

那之后,前夫大概也明白了那些打着“为他好”旗帜的看客们的心态,不再将我置于对立面。他大概终于明白:没有人会真正站在孩子的立场上考虑问题,除了孩子的母亲。

不过,也就是那一天,我决定再不跟这对夫妇来往,把这两人的VX都拉黑了。

后来,我跟他们还在街头偶遇过一回。那时我刚买了车,不小心跟一辆货车发生了剐蹭,我主动承担了全责,把车停在路边处理事故。

这对夫妻俩开车经过,男方见状,停车下车,问我是否需要帮忙。女方也下了车,站在车旁边,没说话,只是远远地看着我。

我说:“不用,谢谢。”从此以后,我跟他们再也没有交集。#人际交往#


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