Image credit: CERN/Maximlien Brice, of the CMS detector, the small detector at the LHC.

“物理學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)沒什么新東西能被發(fā)現(xiàn)了。剩下的只是更多更精確的測量?！?br> —開爾文勛爵

十九世紀(jì)末，物質(zhì)被組織為包含近一百種不同元素的周期表，我們很快意識(shí)到，被認(rèn)為是不可分割的自然積木——原子(希臘語字面含義為不可分割)——本身是由更小的粒子組成的。

原子中充滿帶負(fù)電荷的電子。不久后，帶正電的原子核被發(fā)現(xiàn)，跟著是質(zhì)子和中子被分別發(fā)現(xiàn)，它們本身又被發(fā)現(xiàn)能被分割為更小的夸克和膠子。

Image credit: Paul Wissmann, via Santa Monica College

到今天我們認(rèn)識(shí)到，我們所知的一切物質(zhì)都是由一系列真正不可分割的粒子組成：

■ 六味夸克和六味反夸克，各有三種色荷，

■ 三種帶電輕子和三種中性輕子(中微子)以及與它們對(duì)應(yīng)的反粒，

■ 負(fù)責(zé)強(qiáng)核力的八種膠子，

■ 負(fù)責(zé)電磁力的光子，

■ 負(fù)責(zé)弱核力的W和Z玻色子，

■ 以及希格斯玻色子，一種單獨(dú)孤立的大質(zhì)量粒子，是負(fù)責(zé)所有基本粒子靜止質(zhì)量的場的結(jié)果。

Image credit: E. Siegel.

這是粒子和相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型，它描述了宇宙中已知的一切，只有幾個(gè)顯著的例外。(例外是引力、暗物質(zhì)和暗能量的存在和性質(zhì)、以及宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱的起源，以及其他更深?yuàn)W的例外。)標(biāo)準(zhǔn)模型工作得很完美，也就是說，在每一個(gè)我們?cè)?jīng)做過的實(shí)驗(yàn)，和每一個(gè)所觀察到的結(jié)果中，這些粒子和力、它們之間的相互作用、截面，振幅及衰變率和預(yù)測是精確一致的。

這本身就是一個(gè)問題。

Image credit: the ATLAS collaboration / CERN, retrieved from University of Edinburgh.

你看，這些是物理學(xué)家們希望大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以揭示的基本物理學(xué)里一些真正未解釋的問題。有些是前面所提及的，包括：

■ 暗物質(zhì)是什么構(gòu)成的，對(duì)其負(fù)責(zé)的是什么粒子？

■ 為什么我們?cè)谌跸嗷プ饔枚皇菑?qiáng)相互作用中見到CP不守恒？

■ 正反物質(zhì)不對(duì)稱的本質(zhì)是什么，對(duì)其負(fù)責(zé)的重子數(shù)守恒破壞過程是什么？

■ 為什么這些基本粒子的質(zhì)量(介于1 MeV和180 GeV之間)遠(yuǎn)小于令人難以置信的10¹⁹GeV的普朗克尺度？

如果我們所擁有就只是標(biāo)準(zhǔn)模型，那么這些問題就都沒有我們能夠知道的答案。

Image credit: Universe-review.ca.

但有很多標(biāo)準(zhǔn)模型的理論性擴(kuò)展提供了希望。在我們?cè)O(shè)想的所有物理學(xué)上有趣的場景中，這些問題的解決方案都有兩個(gè)共同點(diǎn)：

1. 它們指出，當(dāng)我們以足夠豐度創(chuàng)造出不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子時(shí)，我們將會(huì)可重復(fù)地且統(tǒng)計(jì)顯著地見到它們以與標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的不同方式衰變。

2. 他們都預(yù)測，在足夠高的能量上，將會(huì)存在標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有的新的、基本(不可分割的)粒子。

超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)的選項(xiàng)包括超對(duì)稱性、technicolor、額外維度等。但?從實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家不是理論物理學(xué)家?角度來看，這些選項(xiàng)只有當(dāng)它們具有可被我們能夠執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)所檢測的特征，才有意義。

Image credit: CERN/LHCb Collaboration.

在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，這意味著衰變率相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的偏離需要達(dá)到實(shí)驗(yàn)所及范圍。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測一個(gè)粒子應(yīng)該以1.1x10^-6的分支比衰變?yōu)樘兆?，并?.8x10^-5的分支比衰變?yōu)槊熳?，這意味著你必須創(chuàng)造至少幾千萬個(gè)這種粒子，并精確觀測其衰變來作出此測量。

因?yàn)槿绻恪皟H僅”創(chuàng)造出一千萬個(gè)這種粒子，并觀察到它們中180個(gè)衰變?yōu)槊熳樱?4個(gè)衰變?yōu)樘兆?，你就不能得出結(jié)論說發(fā)現(xiàn)了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)；你沒有足夠的統(tǒng)計(jì)顯著性。

ATLAS collaboration (L), via http:///abs/1506.00962;

CMS collaboration (R), via http:///abs/1405.3447.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
考慮到我們創(chuàng)造出最重的基本粒子：希格斯玻色子和頂夸克時(shí)，我們只進(jìn)行了數(shù)千次數(shù)量級(jí)的詳細(xì)測量，這將會(huì)是是難以置信地困難。如果我們能夠建造一個(gè)創(chuàng)造這些粒子“工廠”，我們就能以我們想要的(幾乎)任意精度測量它們的衰變，這個(gè)工廠就是提議中的高能電子-正電子對(duì)撞機(jī)國際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)。

但只有當(dāng)LHC首先能發(fā)現(xiàn)強(qiáng)有力證據(jù)表明，或者這些非標(biāo)準(zhǔn)模型衰變存在，或者存在新粒子，并且解決前述問題的理論預(yù)測了這兩者，這才有可能會(huì)發(fā)生。

Image credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Kimberly Boustead.

問題是，我們所擁有的超標(biāo)準(zhǔn)模型物理學(xué)證據(jù)很微弱：它的統(tǒng)計(jì)意義顯著性在該領(lǐng)域是無關(guān)緊要的。人們對(duì)這些初步結(jié)果感到興奮的唯一原因是，真的沒有任何其它能讓人興奮的東西了。如果在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中只發(fā)現(xiàn)了一種希格斯粒子，那么或者超對(duì)稱性不存在，或者它的能量尺度與它被設(shè)計(jì)用來解決的問題無關(guān)。此外，如果在低于約2~3 TeV的能量上沒有新粒子被發(fā)現(xiàn)——如果存在的話大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)應(yīng)該就能發(fā)現(xiàn)，那么合理的假定就是直到100,000,000GeV或更高的能量尺度，都不會(huì)有任何新東西了。

即使窮盡我們最大的技術(shù)能力，環(huán)繞藍(lán)星赤道建造一臺(tái)粒子加速器(被排險(xiǎn)者所摧毀的愛因斯坦赤道)我們?nèi)匀粺o法達(dá)到這些能量。

Image credit: ILC collaboration.

要說在未來幾年內(nèi)，你將看到一系列的文章、演講和討論主題是“我們是否已發(fā)現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)模型粒子物理學(xué)的第一個(gè)跡象？”，這并不是一個(gè)夸大的預(yù)測。

而如果其答案是“不明確”，那么中心思想就是：標(biāo)準(zhǔn)模型可能就是我們有生之年所有粒子對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的。有時(shí)候，上新聞?lì)^條或者拿諾貝爾獎(jiǎng)的并不是新的、令人興奮的發(fā)現(xiàn)，而是自然界所能給我們的。相信嘩眾取寵的謊言，還不如接受令人失望的事實(shí)。