除非欧洲大型强子对撞性能带来惊喜，否则粒子物理大概会无奈地走到止境。
编译 | 叶凌远
超环面仪器（ATLAS）是大型强子对撞机的四个重要探测器之一，已经针对新一轮的对撞实验举行了升级。图片泉源：MAXIMILIEN BRICE/CERN
十年前，粒子物理学家让整个天下为之奋发。欧洲核子研究构造（CERN）的大型强子对撞机（LHC）是天下最大的粒子加快器。2012年7月4日，在这里工作的6000多名研究职员公布，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，是表明其他根本粒子怎样得到它们质量的关键。这一发现证明了一个当时已具有48年汗青的理论预言，美满了一个被称为尺度模子的物理理论，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——包罗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，人们渐渐意识到希格斯玻色子在粒子物理中所饰演的告急脚色。它是尺度模子所缺失的末了一块拼图，该粒子（或更准确地说引发该粒子的希格斯场）是全部粒子存在质量的缘故原由。质量并不如人们原来所假想的那般为粒子的内涵天禀；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信任这一理论，但直到2012年它才真正被实验所证明。
希格斯玻色子的发现是粒子物理学一个不朽的成绩：它标记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期间。但紧接着，这一范畴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年开始正式收罗数据之前，物理学家们便担心它大概只能产生希格斯粒子，而无法对尺度模子之外大概存在的新物理留下任何线索。如今，这噩梦般的环境正一步步变为现实。“这有些令人扫兴，”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）。”这是扩展尺度模子的一种主流物理理论。
不外很多物理学家体现，如今就绝望还为时过早。颠末三年的升级，大型强子对撞机正卯足了劲，准备举行筹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，新粒子便大概诞生于此中。人工智能的发展也带来了新的机遇——若在十年前，大部门物理学家大概会对用神经网络来分析数据的想法嗤之以鼻。但在很多更为年轻的研究员以及工业界互助搭档的资助下，一个专门的神经网络已搭建完毕，它能资助物理学家们在海量的数据中搜刮值得进一步研究的征象。大型强子对撞机还会再运行16年，且随着进一步升级，它网络的数据量将到达已经网络数据的16倍。全部这些数据都大概蕴含着新粒子和新物理的玄妙踪迹。
然而，一些研究学者也以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在一些小型实验中探求暗物质的踪迹：“假如他们仍没有任何发现，整个范畴便会沉寂死亡。”伦敦国王学院的理论物理学家John Ellis则体现，在这一范畴取得突破的渴望已经被漫长且不确定的探索远景所磨碎，终极的失败会像拔牙一样忽然且痛楚，不会只如牙齿自然掉落一样平常无声无息。
自上个世纪70年代以来，物理学家就不停在与粒子物理的尺度模子角力。依照该模子，平常物质由被称为上夸克和下夸克的轻质量粒子——它们每三个联合在一起，形成质子和中子——以及电子和险些没有质量、被称为电子中微子的粒子构成。两组更重的粒子则不停匿伏在真空内，仅仅会在粒子碰撞所产生的打击中稍纵即逝地显现。全部的粒子都通过交换其他粒子的情势相互作用：光子通报电磁力，胶子通报把夸克捆绑在一起的强相互作用力，而大质量的W和Z玻色子则通报弱相互作用力。
尺度模子形貌了科学家们迄今为止在粒子对撞机中所观察到的齐备征象。然而，它不大概是有关自然界的终极理论。它无法形貌引力，也并不包罗秘密的、不可见的暗物质。在宇宙中，暗物质宁静常物质的质量比大概约为6：1。尺度模子中席卷了中微子，但人们仍不能为其极低的质量提供表明；显然平常物质也由尺度模子形貌，但人们同样不知道其怎样在宇宙大爆炸后赛过反物质，占据了主导职位。围绕希格斯玻色子本身也尚有很多谜团亟待办理。
大型强子对撞机本应冲破这一僵局。在它的环形结构中，两个朝相反方向循环的质子撞在一起，产生其他地方无法得到的重型粒子，这此中的能量到达了以往任何对撞机所能到达的七倍还多。十年前，很多物理学家都假想能在大型强子对撞机中敏捷发现一些新征象，包罗新的通报相互作用的介质粒子乃至是迷你黑洞。德国DESY实验室粒子物理学主任Beate Heinemann追念，人们以为会被淹没在产生的超对称粒子中。物理学家们当时广泛以为，找到希格斯粒子大概会须要更长的时间。
但没有预推测的是，仅在短短3年内，希格斯粒子便被敏捷地发现了。部门缘故原由是它的质量比很多物理学家预期的要小，约莫仅为质子的133倍。若其质量高出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渴望。Higgs本人就曾体现，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。
新征象的贫瘠挑衅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包管了在大型强子对撞机所能到达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子——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尺度模子粒子大幅拉高，特殊是顶夸克，然而毕竟并不云云。因此理论学者推断，至少尚有一种具有类似质量和恰到好处的物理特性——特殊是差异自旋——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。
超对称理论可以或许提供这种粒子存在的依据：对于每个已知的尺度模子粒子，它都假设存在一个具有差异自旋且质量更重的搭档粒子。这些搭档粒子不但可以包管希格斯粒子的质量不外高，同时还能资助表明希格斯场是怎样产生的。
但是在已往的十年，人们仅仅发现了一些实验观测结果和尺度模子推测之间的微小差异，而这些反常征象并不指向人们所渴望存在的新粒子。比方在2017年，利用底夸克探测器（LHCb，大型强子对撞机四个重要粒子探测器之一）举行实验的物理学们家发现，B介子（一个包罗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——依照尺度模子，这两个概率应该是一样的。类似的，也有实验表明μ介子的磁性大概比尺度模子所推测的稍强一些。
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公布，他们都发现了希格斯粒子衰变为μ子和反μ子对的征象。费米国家加快器实验室的理论物理学家Marcela Carena表明，假如这种有数的衰变具有与理论推测值差异的速率，这种弊端就大概预示着隐蔽在真空中的新粒子。
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征象举行探索。然而，这些探索大概不会导致戏剧性的“尤里卡！”时间。Heinemann说：“如今的实验正朝着以极高精度丈量玄妙征象的方向厘革。”不外，Carena体现，“我非常猜疑在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，我们乃至不知道这山脉到底在那边，大概它大概有多高——粒子物理学的尺度模子乃至都并不完备。人们只是含糊地意识到，在一座山峰的某个地方存在着希格斯粒子，它能真正证明整个尺度模子结构的存在。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，我们才终极登上了这座山峰。
但如今差异了，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，大概不停触遇到普朗克尺度（宇宙中空间的最小尺度）。假如我们如今的推测是准确的，在平原的某处肯定尚有其他山脉，标记着物理学的又一高峰。大概我们能发现新的粒子，如轻夸克（leptoquarks，它大概是表明前文提到的有关B介子和μ介子反常征象的关键），乃至是超对称粒子或暗物质粒子；大概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根本粒子还是复合粒子？它能与暗物质相互作用吗？假如能，我们能通过它相识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？很多科学家对我们能办理这些标题持乐观的态度（只管听起来有些像在画饼）。但至少，没有任何明白的迹象表明，我们必须穿越多远的平原才气看到这些新的山脉——这就是我们如今的处境和已往几十年之间的区别。
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就以为：“他们面对的是一片戈壁，而他们并不知道这片戈壁有多广茂。”为了办理上述这些标题，我们很大概须要大量制造希格斯粒子的本事，而这种本事是如今、乃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操持下一个能量更高的对撞机——将来环形对撞机（Future Circular Collider），作为以后的“希格斯工厂”。但即便是乐观主义者也以为，假如大型强子对撞机没有发现任何新的东西，那么将更难说服天下各国政府制作下一个更大、更昂贵的对撞机来保持这一范畴的发展。
现如今，大型强子对撞机的很多物理学家们只是为可以或许继承回到质子对撞的工作中而感到高兴。在已往的三年里，科学家们已经升级了探测器，并重新计划了对撞机的低能加快器部门。欧洲核子研究中心加快器和粒子束主任Mike Lamont说：如今，大型强子对撞机应该会有更稳固的碰撞率，能有效地将数据量增长50%之多。几个月来，加快器的物理学家们不停在痴钝地调解大型强子对撞机产生的粒子束。在粒子束流充足稳固后，他们会打开探测器，规复数据收罗，举行新一轮的实验，继承在暗中的平原上迈进。
参考资料
[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6538.113
[2] https://www.scientificamerican.com/article/how-the-higgs-boson-ruined-peter-higgss-life/
[3] https://www.scientificamerican.com/article/10-years-after-the-higgs-physicists-are-optimistic-for-more-discoveries/
[4] https://home.cern/news/press-release/physics/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery
出品：科普中国
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