重啟大型強子對撞機

謝懿

忘了希格斯粒子吧。現在，我們要去尋找現實的根源。在為期2年的改造之后， 大型強子對撞機將重新煥發活力，去探測那些更為另類的粒子。就像地平線上閃閃發光的海市蜃樓，這是一片把我們和希望之地隔開的巨大“沙漠”。在這片希望之地上充滿了答案，在那里我們將獲得對現實的物質世界的完全認識。

別做夢了：我們無法去往這個天堂。穿越“沙漠”的道路太過漫長而炎熱，沒有車能帶我們去到那里。不過，物理學家的這一愿望正在得以實現：有一臺機器剛剛從2年的沉睡中醒過來，它可以讓我們邁出決定性的一步，甚至可能揭示出距離我們較近的答案。

它就是大型強子對撞機（LHC），坐落在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心。這臺

威力最大的粒子對撞機因其在2 0 1 2年發現了希格斯玻色子而威名遠播。現在，它將去探測標準模型中最后一片未知的區域，而我們目前有關物質及其相互作用的最好理論便是標準模型。

粒子物理學家用能量來進行度量。通過愛因斯坦著名的質能方程E = mc2，以高速相互

撞擊的粒子會把它們的質量轉化成巨大的能量，后者反過來會形成更大的其他質量粒子。

我們的宇宙始于一次高溫高密的大爆炸，因此通過加速粒子獲得的碰撞能量越高，我們

就越接近宇宙和物質本身的起源。

通過這一方式，LHC 以及此前的對撞機已讓我們開始探測和研究標準模型。這個理論

描述了構成物質的基本粒子，即輕子和夸克，以及負責承載三種基本作用力——電磁力、

弱核力和強核力——的粒子。

這一理論至高無上的榮耀是希格斯玻色子。這個粒子代表了一種無處不在的無形實

體——希格斯場，正是與它的相互作用使得所有其他基本粒子獲得了質量。對解釋早期

宇宙中的一個關鍵時刻而言，希格斯玻色子是必不可少的。最初，電磁力和弱核力同屬統

一的弱電力，直到在大爆炸后1 0-1 2秒希格斯場開啟。它的出現打破了力的對稱性，賦予承載基本作用力的粒子以不同的質量。自此，由無質量光子承載的電磁力可以作用于無窮遠的距離，由大質量W 和Z 玻色子承載的弱核力則被限制在了亞原子的尺度上。

完整但不完全

早在1 9 6 4年，希格斯場的存在就已經被預言，但發現它需要達到LHC擁有的能量：質子之間迎頭撞擊產生8萬億電子伏特的能量。在當時，即便假設它確實存在，理論物理學家也不能確定希格斯玻色子的質量應該有多大。不過，這是個“旱澇保收”的局面：即使被證明僅僅是個數學幻象，它也將促使標準模型得到修改并從頭再來。

最終，科學家發現這個難以捉摸的粒子具有1 2 5 0億電子伏特的質量，處于LHC 的能

量范圍之內。理論物理學家被證明是正確的。2 0 1 3年1 0月，希格斯玻色子理論的兩位先驅弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分享了當年的諾貝爾物理學獎。

不過，這里還有一個問題：雖然標準模型已經完整，但它是不完全的。這個理論并不包含暗物質。這是一個相當大的疏漏，畢竟根據對星系運動的觀測，這些不可見的物質占

據了宇宙中所有物質質量的8 5%。它也沒有告訴我們正常物質和反物質之間的微小不平

衡最終是如何讓正常物質充滿整個宇宙的。對宇宙中的第四種基本作用力引力，它更是保

持著沉默。

在更為技術的層面上，為了使其奏效，標準模型依賴于一系列任意的常數。希格斯玻

色子僅僅是一個例子，它的質量不過是標準模型無法預言的眾多物理量之一，只能通過實

驗來測定。這個模型還有一些讓人不快的地方：它認為希格斯玻色子會與大質量粒子發生強烈的相互作用，使它獲得高達至少1 08萬億電子伏特的能量。

絕大多數物理學家認為，標準模型只是一個更宏大理論的一部分，后者可以讓我們統

一所有的基本作用力，并了解在所有能標下的物質。問題是，雖然精確的預言各不相同，但最合理的猜測是作用力的統一只出現在1 01 2萬億電子伏特及以上的能標下。它最后一次出現是在宇宙誕生后的一瞬間，即大爆炸之后1 0-3 6秒之內。

地球上沒有任何加速器可以達到這么高的能量。因此，在我們和不可及的希望之地中間隔著一個巨大的“沙漠”，這使得LHC 即使能把碰撞能量升級到1 3萬億電子伏特也顯得相當蒼白。但事實并非如此。如果新一代理論中受青睞的候選者是正確的，那么我們即將步入的這一新疆域會包含新的粒子和現象，它們將幫助我們向最終的答案邁出決定性的一步。

受到垂青的是超對稱理論。超對稱理論問世于2 0世紀7 0年代，是第一個“大統一理

論”，把弱電和強核力綜合了起來。為了做到這一點，它引入了一大批超粒子，每一種已知的粒子都具有一個質量更大的超對稱伙伴粒子，這些伙伴粒子中的一些可能就位于LHC 可以探測的能標上。如果LHC 能發現新粒子的信號，那整個理論界都會為之瘋狂。

最輕的超粒子不僅僅提供了一個極好的暗物質候選體，它們還能自然地消除麻煩的量

子漲落，使得希格斯玻色子的質量不至于失控。探測器很有可能看不到暗物質的超對稱粒

子，但它們會在配平能量和動量時留下空缺。不過，在一般情況下，超對稱粒子都會以可

預知的方式衰變成更輕的標準模型粒子，從而被探測到。

超對稱理論受到理論物理學家的鐘愛，所有人都渴望捕捉到它的一絲線索，因此在數

據分析的過程中需要格外小心，以防過度的熱情影響到最后的判斷。一旦科學家確信LHC 和分析軟件可以平穩運行，其數據就會被“遮蔽”——在積累到足夠的數據之前，用來分析數據的計算機不會輸出任何計算結果，以免標準模型的過程被誤讀為新的現象。

要確認一個異常現象是全新的物理學結果，它必須同時出現在L H C 的兩大實驗裝

置——超環面儀器（A T L A S）和緊湊μ 子線圈（CMS）——的數據中，就像發現希格斯玻色子時的情況一樣。

當然，這一切或許根本不會發生。在一個完美超對稱的世界中，超粒子具有和其伙伴

粒子完全相同的質量，應該在很久以前就被探測到了。理論物理學家認為，就像弱電力一

樣，超對稱被“破壞”了，使得超粒子的質量會大得多。然而，如果它們的質量太大，就無法用來解決一些現有的問題，例如希格斯玻色子的質量、暗物質以及基本作用力的統一。

在LHC 的首次運轉中并沒有發現超粒子，這一事實已經限制了最簡單超對稱理論及其

變體的生存空間。許多理論物理學家表示，LHC 未來幾年的數據會決定他們是否需要向超

對稱說再見。如果LHC 什么也沒有發現，將表明我們對高能標上的物理學其實一無所知。

在物理學家尋找解決超對稱難題答案的同時，引力仍然是一個棘手的問題。一般的觀

點認為，在LHC 可探測的能標上，連看到引力被統一的一丁點跡象都是不可能的。引力要

比其他三種基本作用力弱得多（強度小了約4 0個數量級），它只有在1 01 6萬億電子伏特的能量上才可能被統一。這一能量幾乎與大爆炸本身相當。

1 9 9 8年，理論物理學家提出了一種新的可能性。假如我們的世界存在于一張三維空間膜上，而這張三維膜又飄浮在一個維數更高的空間中，情況會怎樣？引力可以滲透到所有的維度中，但在我們的三維空間中它看上去就像被“稀釋”了，顯得極弱。如果真是這樣，引力的真正強度會使得統一基本作用力的希望之地位于更加靠近我們的地方，甚至就在LHC可及的范圍之內。因此，“沙漠”將不再是沙漠，而是充滿了許多奇怪的東西，例如迷你黑洞。在LHC中，粒子的劇烈碰撞有可能會扭曲時空，從而形成迷你黑洞。它們會以極其特殊的方式衰變成大量我們更為熟悉的粒子。

不過，即使是類似的事件也可能會因能量過高而無法被直接探測到，但由此產生的粒

子興許會影響較低能標中的粒子，從而被探測到。在LHC 和先前對撞機的數據中確實潛伏著一些不明原因的現象，在重啟之后這些現象是否真的存在會變得日益明朗。即便存在這樣一些微小的效應，但并不一定意味著就是新的粒子。理論物理學家可以提出各種各樣的假說來解釋這一現象。

對實驗物理學家來說，讓他們興奮的并不在于證明這個或者那個假說，而恰恰是前方

的未知。相對希格斯玻色子的發現，肯定還有更為廣闊的各種可能性。

因此，LHC 即將探索的是一片滿是粒子的林地，它將帶給我們有關前方沙漠以及更遙

遠地方的線索。若什么也沒有發現，那我們就將停滯不前，沒有任何有關下一步該如何前行的線索，對“標準模型為什么會是這樣”的問題也不會有任何“自然”的解釋。如果真是這樣，那物理學家只能假設標準模型是某種怪異精調和奇怪巧合的結果。也許我們的標準模型只是無數種其他可能性中的一個，我們的宇宙也只是無數種可能的宇宙之一。或許只有能達到更高能標的機器才能回答這個問題。

但在此期間，讓我們跟隨升級后的LHC，無論它把我們帶往何方。那里也許是一個遙不

可及的國度，但可以肯定的是，它將遠不止是希格斯玻色子和一大堆懸而未決的問題。

更快、更高、更強

升級后的LHC 不僅能制造出能量更高的粒子碰撞，還會把數據的采集率翻倍，達到每秒千兆字節。進一步的升級則在籌劃中，LHC 目前采集的所有數據將只是其2 0年工作壽命

總數據量的1%。

LHC 重啟后的第一件事情就是通過校準和測試已知的物理學現象，來檢查其兩大多用

途探測器ATLAS 和CMS 是否能正常處理這么龐大的數據流。再現希格斯玻色子并精確測量

它的性質，尤其是它是如何與其他粒子（例如頂夸克以及W和Z 玻色子）相互作用的，是首

要的任務。

在希格斯玻色子被發現之后，有一些跡象表明它衰變成光子對的速率是標準模型預言

的2倍，不過這還需要更多的觀測數據來佐證。目前的共識是，希格斯玻色子符合由標準模型做出的每一個預測。也許更多的數據會暗示一些更有趣的事情，例如希格斯玻色子不是一種粒子，而是一系列粒子。無論在何種情況下，用升級后的LHC來重新審視標準模型都是極為重要的。標準模型下的粒子過程將構成一個期望的背景，在這一背景之上的任何異常現象都有可能是新物理學的體現。

物理學家既需要確認在更高的能標之下標準模型依然成立，同時也想證明我們能夠為

探測新物理學預言建立起主要的背景模型。只有這樣，探測下一代的新理論，例如超對稱理論，才能真正變得可行。