粒子物理學終于規劃出一條健康的前進之路

劉牛

許多宇宙學難題仍有待解決。通過采用廣泛且多樣的方法，

粒子物理學正朝著光明的未來前進。

就在十年前，粒子物理學領域看起來還處于混亂之中。大型強子對撞機剛剛啟動，雖然他們發現了希格斯玻色子——標準模型預言的最后一種未被發現的粒子——但他們未能找到任何證據來支持任何一種能夠帶領我們超越標準模型的其他主流理論。費米實驗室，能量前沿領域的先驅，永久性地關閉了其主加速器，而對像中微子質量起源、暗物質性質以及物質-反物質不對稱起源等難題的研究似乎陷入了停滯，無論是在實驗還是理論方面都進展緩慢。

此外，粒子物理學家自身似乎也在爭論不休，不確定接下來應該做什么。建造一個比大型強子對撞機更強大的新加速器是否有足夠的價值？為了研究中微子的質量，我們應該如何探測中微子的行為？我們是否充分利用了粒子物理學與宇宙學之間的聯系？在尋找暗物質的過程中，我們是否局限于動機不充分的想法？我們是否投入了足夠的資源來支持早期職業研究人員和小型但有價值的實驗工作？

最后，隨著“粒子物理學項目優先級評定小組”（Particle Physics Project Prioritization Panel，簡稱 P5）報告的發布，粒子物理學家齊聚一堂，為下一個十年及以后規劃路線，以解決前述的所有問題，同時為粒子物理學在美國和世界范圍內的下一代繁榮創造一個健康的環境。這是每個人都應該了解的內容。

關于粒子物理學的偏見

關于粒子物理學，有一個常見但過于簡化的觀點，但不幸的是，許多人似乎都持有這一觀點。該觀點大致如下：自20世紀60年代以來，標準模型已為人所知，從那時起物理學就陷入了停滯；基礎科學盛宴已過，理論物理學家只在研究一些與現實不符的糟糕想法；實驗物理學家尋找這些糟糕想法的證據，卻只是越來越精確地發現了“一無所獲”；自那以后，粒子物理學沒有取得任何有意義的進展。這類觀點完全誤解了粒子物理學是什么，以及研究是如何進行的。

實際上，標準模型并不像大多數人認為的那樣是一個完備的理論，一個類似于牛頓的引力理論、麥克斯韋的電磁理論或愛因斯坦的廣義相對論那樣的理論。標準模型更像是一個結構框架，它告訴我們存在三代費米子，分為夸克、帶電和中性輕子，以及傳遞強力、弱力和電磁力的玻色子。然而，為了了解標準模型在宇宙中是如何表現出來的，我們需要進行測量。我們需要找出諸如基本粒子的質量、夸克與各種中微子混合體的特性，以及違反對稱性的類型和數量等信息。即使知道“標準模型是正確的”，也只能幫助我們部分了解宇宙的屬性。

關于標準模型及超越模型的真相

我們還知道，標準模型并不是現實的全部。例如，我們知道：宇宙曾經充斥著更多能量，可能遠比大型強子對撞機所能實現的最高能量碰撞更強（最高可達1011倍）；宇宙不知為何充滿了暗物質和暗能量，這兩者都不在標準模型的解釋范圍內；宇宙不知為何充滿了物質而沒有相應數量的反物質，盡管所有觀測到的粒子物理反應在這方面都顯示出物質-反物質對稱性；宇宙的許多特性，如中微子質量或基本粒子較低的靜止質量（與普朗克質量相比），都無法用我們對現實的最佳描述來解釋。

我們一直在努力研究許多理論上有潛力解決這些難題的、動機明確的方案，而且，迄今為止，實驗粒子物理學已對這些超出標準模型的方案施加了極其重要的約束。我們知道： 旨在解決等級問題的超對稱性（SUSY）、用于解決強電荷共軛宇稱（CP）問題的最初佩奇-奎因（Peccei-Quinn）對稱性、旨在解釋物質-反物質不對稱性的SU（5）大統一理論在現實中并未解決這些難題。無論解決方案是什么，它們都比這些簡單的想法更為復雜。

探索最偉大的粒子之謎

然而，這些難題依然存在，它們與粒子物理和宇宙學以及兩者之間的交叉學科都相關。請記住：宇宙歷史上最熱、最致密、最具能量的狀態出現在熱大爆炸開始后最初的幾分之一秒。宇宙固有量子性質的最初印記是在宇宙暴脹期間播下的：這一階段先于熱大爆炸，并為創造了我們所有人的熱大爆炸奠定了基礎。而我們今天所思考的許多難題，包括暗物質、暗能量、暴脹的本質、中微子質量起源以及希格斯玻色子物理學，很可能在宇宙歷史的最初階段就留下了它們的解決方案的蹤跡。

為了揭曉這些謎團的答案，我們必須采取多種方法。是的，有通過建造高能對撞機——以最高能量、最高探測靈敏度和最快碰撞速率——這樣的粗暴方法，也有精細的方法，比如尋找稀有相互作用和核反沖、測量中微子振蕩、開展敏感于這些古老印記的宇宙觀測，以及開發能以前所未有的方式探究自然的新技術和實驗室實驗。如果想要確切地了解自然是如何運轉的，我們必須以足夠聰明的方式提出正確的問題，迫使自然交出它的秘密。

這正是P5報告最終做對的地方。

在合理預算范圍內的高影響力投資

像粒子物理學這樣的科學領域，在任何時候的目標都包含四個方面：開展能夠解答當時重大問題的科學研究，以一種可能可以提升我們認知（如果我們足夠幸運的話）的方式向自然提出關鍵問題；在理論和實驗之間尋求適當的平衡，理論致力于理解不同模型如何改變我們能觀察和測量的現象，而實驗則負責進行這些測量；為未來研究鋪平道路，并為未來研究人員提供支持。 而且，這一切都要以一種服務于社區各個方面的方式來進行：從大型研究合作到小型實驗，再到技術升級和創新等等。

雖然P5報告確實在這四個相互競爭的優先事項之間取得了堅實的平衡，但最令大多數人感到興奮的是被指定為最高優先級的重大科學項目。

粒子物理學和宇宙學的交匯點是宇宙暴脹最后時刻在最大宇宙尺度上留下的量子印記。雖然我們已經探測到、測量到并試圖理解暴脹留下的密度和溫度波動（也被稱為標量模式），但暴脹還產生了另一種波動：引力波波動（也被稱為張量模式）。

所有暴脹模型都預測了相同的引力波頻譜，但不同模型預測的振幅不同。測量這些引力波信號在宇宙大爆炸余暉上的印記（或沒有留下印記）的下一代工作，被稱為第四階段宇宙微波背景（CMB-S4）實驗，是被P5報告推薦為最高優先級的科學工作之一。

美國目前正在進行的最大粒子物理學項目可能是深層地下中微子實驗（DUNE）。DUNE的目標是：產生一束由大量不穩定粒子（稱為π介子）組成的粒子束；讓這些π介子衰變，產生μ子和μ中微子或反μ中微子（以及其他粒子）；發射這些μ中微子（和反μ中微子），使它們穿過地球，從而有機會與地球內部的物質發生相互作用；然后使用一種被稱為時間投影室的特殊探測器來測量到達遠端探測器的中微子。

科學家之所以想要這樣做，并且要使用如此大量的中微子進行如此高精度的測量，是因為任意一種特定類型的中微子——電子中微子、μ中微子或τ中微子——在傳播過程中不會保持為同一類型，而是在這些不同類型之間振蕩。這種長基線中微子實驗將是對所有當前實驗的一次跨世代飛躍，而且由于（大質量的）中微子是目前唯一已知超越標準模型的粒子物理現象，這是一個迫使我們進一步研究的難題。它值得高優先級的投入。

P5報告中做出的一個非常明智的決定是，暫緩對任何人提議的下一代對撞機進行進一步的投資，盡管報告承認有必要建造一個能夠充當“希格斯粒子工廠”的機器，來研究這一至關重要的標準模型粒子。他們建議，與其現在就承擔這筆費用，不如先支持各種加速器設計的技術開發，看看是否有哪些進展可以明確表明某一種設計優于其他設計。目前，主要考慮以下三類加速器設計：

1. 未來的環形對撞機，它將是一種比大型強子對撞機更大的環形對撞機，可以對撞正負電子或強子（如質子），從而產生具有最大新發現潛力的最高能量碰撞。

2. 未來的線性對撞機，它將對撞正負電子，產生非常純凈的信號，但碰撞能量不會超越當前的極限。

3. 未來的環形μ子對撞機，它將對撞μ子與反μ子，產生高能量和純凈信號，但由于μ子本身的不穩定性，總的碰撞次數最少。

這些方案都很昂貴，但每米能量增益的顯著提高將使線性對撞機大受青睞，而μ子亮度的提高則將明顯傾向于μ子對撞機選項：μ子對撞機被巧妙地命名為“μ子射擊”（muon shot），以紀念20世紀60年代阿波羅計劃的“登月”（moon shot）。

對于粒子物理學來說，另一個當務之急是建造至少一臺“G3”（即第三代）暗物質直接探測實驗裝置。很多人錯誤地認為這些暗物質實驗已經失敗，但科學并非如此。科學會告訴你應該去哪里尋找，而實驗是能夠讓你發現什么是存在的、什么是不存在的唯一方式。在過去的30年里，我們對任何可能與正常（基于原子的）物質發生相互作用的大質量奇異粒子的探測敏感度提高了32萬倍，這標志著科學史上最好的零結果。

下一代G3實驗的目標是將靈敏度提升到足夠高，使它們能夠探測到——作為已知背景信號的一部分——被科學家稱為“中微子霧”的東西，也就是宇宙中微子、由地球內部放射活動引起的中微子以及太陽發射的中微子共同在探測器內引發的現象。盡管這些實驗最初的目的是尋找類似弱相互作用大質量粒子（WIMP）的暗物質（如在超對稱或超維度情況下的暗物質），但重要的是要認識到，這種方法能夠探測到的不只那些受青睞的暗物質模型，還包括其他重型奇異暗物質候選者。

粒子物理學家正認識到，假設我們已經知道暗物質會是什么樣的想法是失敗且傲慢的，他們轉而撒下一張更寬、更廣 、更普適的網。這表明他們正在從前幾代人的錯誤中吸取教訓。

粒子物理學未來的另一個重要方面是該領域認識到了多信使天文學的極端重要性。目前，可以接收到三種來自宇宙天體的獨特信號：各種形式的光，從伽馬射線、可見光、紅外線一直到射電波；引力波，現在不僅能被激光干涉引力波觀測臺和室女座引力波探測器探測到，還可以通過脈沖星測時被探測到；宇宙粒子，包括來自太陽系、銀河系甚至河外源的中微子。

前兩類信號主要局限于天文學領域，而探測宇宙粒子的能力則是粒子物理學界最感興趣的。

位于南極的“冰立方”探測器是世界上最擅長探測與周圍冰質物質發生相互作用的宇宙中微子的探測器。“冰立方”已經繪制了第一張銀河系中微子分布圖，并發現了來自一個銀河系外天體的中微子。這個天體是一個耀變體，或者一個其噴流正對著我們的活躍超大質量黑洞。將“冰立方”的探測范圍和靈敏度升級到下一代水平，將能夠對中微子特性開展前所未有的研究，并將促成歷史上最偉大的多信使天文學項目。此外，如果本星系群內有超新星爆發，下一代“冰立方”設備將帶來無數的科學發現。

結論與總結

所有這些項目都是在一個理智、清醒的預算內進行的平衡投資組合的一部分。粒子物理學家并沒有要求將經費增加兩倍甚至十倍，而是要求美國能源部在未來十年內將每年的經費保持在僅10億至20億美元之間。它們包括對早期職業科學家以及許多不同的小型實驗和項目的支持，不僅是國家實驗室內的，還包括大學和研究中心的。他們既沒有提出一個包含所有可以想象得到的項目的巨大愿望清單，也沒有要求一個超級昂貴的旗艦項目，而是試圖在各種研究中進行有針對性的投資，為物理學界（以及公眾）提供最大的科學“回報”。

對于任何社會的科學未來而言，基礎研究投資的重要性無論怎么樣強調都不為過。從長遠來看，這種投資總是能帶來更大的經濟效應和技術發展，以及在世界上的科學領導地位。但最重要的是，P5報告表明，粒子物理學家終于從過去的錯誤中吸取了教訓，不再傲慢地過度承諾會發現已知領域之外可能存在的東西。宇宙就在那里等待我們去探索。通過P5報告中規劃的路線，粒子物理學可能終將會有一個光明的未來。

資料來源 Big Think

本文作者伊森 · 西格爾（Ethan Siegel）既是一位理論天體物理學家，也是一位科學作家。