這個(gè)粒子如同萬能鑰匙

介明達(dá)

是911嗎？這里有緊急情況，宇宙中最為重要的粒子仍未找到！

德國(guó)物理學(xué)家弗洛里安·格爾茨明白這并不是警方所能偵破的案件，但他仍在不耐煩地等待著回應(yīng)。不過，這里的“911”不是指美國(guó)的報(bào)警電話號(hào)碼，而是位于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)北部的一座建筑的編號(hào)。

歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的粒子加速器，它位于瑞士與法國(guó)邊境地下100多米深的環(huán)形隧道中，隧道全長(zhǎng)近27千米。2012年，研究人員借助它發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。這可是物理學(xué)上的大事件。但格爾茨想要尋找的粒子可比希格斯玻色子更厲害：希格斯玻色子解決了基本粒子如何獲得質(zhì)量的問題，而格爾茨想要尋找的粒子將能一口氣解決物理學(xué)中五個(gè)大問題——從微觀粒子無法解釋的現(xiàn)象到宇宙起源的奧秘，再到神秘的暗物質(zhì)的真實(shí)身份。

美好得令人難以置信？但格爾茨并不是唯一一個(gè)想這么做的人。他一直在和來自世界各地的同行們合作和競(jìng)爭(zhēng)，以描述這種粒子的性質(zhì)，并預(yù)測(cè)它能做什么。如果他們的理論是正確的，那么911號(hào)建筑里進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)將有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙中最重要的粒子。

場(chǎng)與粒子

要想了解這種粒子，首先我們要了解什么是粒子。大多數(shù)時(shí)候，我們可以把粒子想象成微小的彈珠，在空曠的空間里撞來撞去，或者被束縛在固體內(nèi)部。然而，如果我們想要理解它們的行為，這種觀點(diǎn)必須拋棄。相反，我們最好把宇宙想象成一個(gè)充滿電磁場(chǎng)、電子場(chǎng)、質(zhì)子場(chǎng)等各種波動(dòng)場(chǎng)的地方，而我們所熟悉的粒子，就是這些場(chǎng)在微小尺度上的一種擾動(dòng)。例如，電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生光子，電子場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電子，質(zhì)子場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子，等等。

理論學(xué)家經(jīng)常提出各種場(chǎng)來解決許多基本物理學(xué)問題。每一種場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生一種新的粒子，要想證明這種場(chǎng)的存在，就需要通過實(shí)驗(yàn)來找到所產(chǎn)生的新粒子。希格斯場(chǎng)和希格斯玻色子就是一個(gè)典型的例子。希格斯場(chǎng)最初是在1964年提出的，主要用來解釋弱核力的作用范圍為何較短，以及基本粒子如何獲取質(zhì)量等問題。不過，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子花了將近50年的時(shí)間。

與此同時(shí)，更多的物理理論被提了出來，與之相伴隨的是各種假想的粒子。一些理論帶來的粒子比較多。例如，超對(duì)稱理論認(rèn)為，每一個(gè)已知的粒子都有一個(gè)與之相伴隨的質(zhì)量更大的伙伴粒子。如果成立，該理論可以解決許多無法解釋的物理學(xué)現(xiàn)象。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有能力檢測(cè)到這些伙伴粒子，但到目前為止，研究人員還沒有找到任何伙伴粒子的蹤跡。

另一些理論就比較吝嗇了。例如一種被稱作“SMASH”的理論，要通過添加6個(gè)新粒子來解決5個(gè)物理學(xué)謎團(tuán)。但對(duì)于格爾茨和他的同事來說，即使這樣也太浪費(fèi)了。他們提出只需要一種新的假想粒子就可以了，這個(gè)新的粒子如同一把萬能鑰匙，能同時(shí)解開物理學(xué)中五個(gè)大問題。

把兩個(gè)粒子合二為一

這種粒子的提出，與兩個(gè)粒子的物理學(xué)問題有關(guān)。其中一個(gè)問題是物理學(xué)家在1977年研究強(qiáng)相互作用時(shí)遇到的問題，它被稱為“強(qiáng)CP問題”。

強(qiáng)相互作用是一種把夸克結(jié)合成質(zhì)子或中子等粒子的力。然而，相關(guān)的物理理論卻認(rèn)為，在某些情況下，強(qiáng)相互作用會(huì)讓粒子打破一種稱為“CP對(duì)稱”的對(duì)稱性（請(qǐng)參見拓展閱讀“對(duì)稱的重要性”），但實(shí)驗(yàn)中從來就沒觀測(cè)到這種現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，一些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在理論中加入一種新的場(chǎng)之后，強(qiáng)CP問題就神奇地解決了。跟其他場(chǎng)一樣，這種新的場(chǎng)的微擾也會(huì)產(chǎn)生一種新的粒子，物理學(xué)家把這種粒子稱為軸子。

與此同時(shí)，粒子物理學(xué)中又出現(xiàn)了另一個(gè)問題，這與夸克有關(guān)?？淇耸且环N基本粒子，它們結(jié)合在一起可組成質(zhì)子和中子等粒子。目前，已發(fā)現(xiàn)的夸克有6種?？淇说姆N類被稱為“味”，它們分別是上、下、粲、奇、底及頂，但它們的質(zhì)量相差很大。例如，頂夸克的質(zhì)量大約是上夸克質(zhì)量的8萬倍。這么大的質(zhì)量差距從哪里來的呢？一些物理學(xué)家又提出了一種全新的場(chǎng)，不同味的夸克在這種場(chǎng)的作用下行為完全不同，最終導(dǎo)致了各種味的夸克質(zhì)量有很大的差別。這種場(chǎng)產(chǎn)生的粒子被稱為味子。

但在過去的幾年里，兩組物理學(xué)家各發(fā)現(xiàn)了一個(gè)天大的巧合：味子看起來很像軸子。于是，格爾茨等人就提議，這兩種粒子應(yīng)該是同一種粒子，可以把它們統(tǒng)稱為“軸味子”或“味軸子”。

威力無比的軸味子

把軸子和味子結(jié)合起來，還有更多的好處。自上個(gè)世紀(jì)70年代末以來，物理學(xué)家一直堅(jiān)信宇宙在大爆炸后不久經(jīng)歷了一段急速的膨脹時(shí)期，并稱之為“暴脹”。暴脹可能是由一種被稱為“暴脹子”的粒子引發(fā)的，一些物理學(xué)家早就推測(cè)，暴脹子可能是軸子或味子。

此外，當(dāng)前最熱門的暗物質(zhì)粒子候選者是所謂的“大質(zhì)量弱相互作用粒子”，它是一種假想的大質(zhì)量粒子，只通過弱相互作用和引力產(chǎn)生作用。研究人員正不遺余力地尋找這種暗物質(zhì)粒子，但目前一無所獲。于是，一些物理學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子也可能是軸子，并建議把注意力更多地放在軸子身上。

由此可以看出，如果軸子和味子能結(jié)合起來的話，那么軸味子還能解決暴脹問題和暗物質(zhì)問題。更厲害的是，軸味子還有一個(gè)“超能力”——它能解釋希格斯玻色子的質(zhì)量問題。2012年，當(dāng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子時(shí)，它比許多物理學(xué)家預(yù)期的要輕得多。格爾茨等人認(rèn)為，軸味子與希格斯玻色子某種相互作用，能使希格斯玻色子的質(zhì)量大幅度降低。

這樣，一個(gè)軸味子就能夠同時(shí)解開物理學(xué)中的五個(gè)大問題：強(qiáng)CP問題、夸克質(zhì)量問題、宇宙為何暴脹、暗物質(zhì)的真實(shí)身份，以及希格斯玻色子質(zhì)量問題。

這確實(shí)很了不起，但就目前而言，它仍然是一個(gè)猜想。改變這一狀況的關(guān)鍵在于那座編號(hào)為“911”的建筑，它是歐洲核子研究組織在2007年開始進(jìn)行的名為“NA62”的實(shí)驗(yàn)所在地。此實(shí)驗(yàn)的目的，是通過研究夸克-反夸克對(duì)的衰變來提高我們對(duì)夸克的理解。研究人員希望NA62能在這些衰變的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)一些意想不到的東西。而且，鑒于軸味子能與夸克發(fā)生相互作用，所以在夸克-反夸克對(duì)的衰變過程中，很有可能會(huì)產(chǎn)生軸味子。

如果軸味子真的存在，那么我們何時(shí)能找到它？這完全取決于軸味子到底有多重，它越重越難找，因?yàn)樽寣?shí)驗(yàn)衰敗出重粒子需要很高的能量。不過，格爾茨等人目前還無法用理論預(yù)測(cè)軸味子的質(zhì)量究竟有多大。

不管怎樣，把許多物理學(xué)問題變成一個(gè)問題，是一個(gè)很大膽的設(shè)想。粒子物理學(xué)能否迎來一個(gè)重大突破？我們只需等待911號(hào)建筑能否帶來好消息。

對(duì)稱的重要性

知道新的粒子可能隱藏在哪里，是一件很棘手的事情。我們能使用的一種最強(qiáng)大的探測(cè)手段，就是對(duì)稱性——即使某物的位置、方向或角度發(fā)生了改變，其外觀和行為仍是相同的。例如，一個(gè)圓有對(duì)任意角度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，即圓對(duì)稱性，而一個(gè)正方形不具有圓對(duì)稱性——當(dāng)你把它旋轉(zhuǎn)90度的倍數(shù)時(shí)，它看起來是一樣的，但以其他任何角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，它看起來就不一樣了。

在粒子物理學(xué)中，還有更為復(fù)雜的對(duì)稱性。例如，你可以把一些粒子替換成所對(duì)應(yīng)的反粒子，如果它們的相互作用沒有發(fā)生變化，那就是一種對(duì)稱。例如，兩個(gè)電子相斥的方式與兩個(gè)正電子相斥的方式完全相同。這種對(duì)稱性被稱為“電荷共軛對(duì)稱性”，簡(jiǎn)稱“C對(duì)稱”。

另一個(gè)重要的對(duì)稱性是時(shí)間反演對(duì)稱性，簡(jiǎn)稱“T對(duì)稱”。想象一下，你在電視上看斯諾克比賽的錄像時(shí)，你看到一個(gè)臺(tái)球撞向桌邊然后彈走。你按下倒帶鍵，你現(xiàn)在看到臺(tái)球開始反過來向桌邊移動(dòng)。撞到桌邊后反彈回原來的位置，如果它沒有到達(dá)原來的位置，那么這就打破了時(shí)間反演對(duì)稱性。

第三種基本對(duì)稱是宇稱對(duì)稱性，簡(jiǎn)稱“P對(duì)稱”。這一次，在觀看斯諾克比賽時(shí)，你可以通過一面鏡子來觀看，但如果鏡子中臺(tái)球撞到桌邊的角度與屏幕中的不一樣了，那么這就打破了宇稱對(duì)稱性。

我們可以把這些對(duì)稱性結(jié)合起來，看看是否有什么有趣的東西出現(xiàn)。有時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)違背其中的某一個(gè)對(duì)稱，但如果同時(shí)做多個(gè)對(duì)稱變換的話，那么它有時(shí)仍可以維持原樣。例如，一個(gè)粒子可能不遵守C對(duì)稱或P對(duì)稱，但如果對(duì)應(yīng)的反粒子看起來就像是它在鏡子中的影像的話，那么我們可以說它遵守“CP對(duì)稱”。

這些對(duì)稱性之所以重要，很大程度上是因?yàn)橛袝r(shí)我們喜歡看到它們被打破，其背后往往涉及到以前未曾發(fā)現(xiàn)的物理定律、粒子或力。同樣值得物理學(xué)家關(guān)注的情況是，一些對(duì)稱性本該被打破但事實(shí)卻沒有，正文中提到的強(qiáng)CP問題就屬于這種情況。