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LHC会是实验粒子物理学的尽头吗?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:2

    LHC会是实验粒子物理学的尽头吗?

    “如今物理学已经什么有待发现的新事物了。剩下的都只是不断提高测量精度罢了。”——开尔文爵士

    19世纪末,我们对物质世界的基本认识经历了一次巨大的变革。在这之前,物质被认为是由周期表中的一百多种不同元素所构成的,然而之后不久,我们发现曾被认为是不可分割的 “原子”(Atoms,拉丁语中表示“不可分割”)竟是由更小的粒子组成。

    原子中有带负电的电子。不久之后,带正电的原子核也被发现了。紧接着,物理学家又分别发现了质子和中子,事实证明这两种粒子还能被分割为更小的单元:夸克和胶子。

    时至今日,我们已经认识到,人类所知的所有物质都是由大量的确不可分割的粒子构成:

    六种夸克和六种反夸克,并各自携带三种色荷;

    三种带电的轻子和三种电中性的轻子(中微子),以及它们的反粒子;

    八种代表强相互作用力(强核力)的胶子;

    代表电磁力的光子;

    代表弱核力的W和Z玻色子;

    以及只有单独一种的大质量粒子希格斯玻色子,它与其他所有基本粒子相互作用而让其他粒子具有质量。

    这些就是标准模型里的基本粒子和相互作用,它们可描述已知的世间万物,除了一小部分值得注意的例外(比如引力、暗物质和暗能量的存在及性质、宇宙中物质-反物质不对称性的起源,以及其他更神秘的现象)。标准模型能够非常完美地解释我们在实验中观测到的现象和得到的结果,并对这些基本粒子以及它们之间的相互作用、截面、振幅和衰变率做出准确的预测。

    然而,这本身就是最大的问题。

    对于基础物理学而言,的确存在一些无法解释的问题,因此物理学家对大型强子对撞机(LHC)的实验结果寄予厚望。这些问题如下,包括前面提到的几个:

    暗物质是由什么构成的?代表暗物质的粒子是什么?

    我们为什么能够在弱相互作用中看到宇称不守恒,但却没能在强相互作用发现它的踪迹?

    物质-反物质不对称性和与其相关的重子数不守恒的本质是什么?

    为什么基本粒子的能量(介于1 MeV 和 180 GeV之间)比普朗克尺度(10^19 GeV)竟小那么多?

    如果我们只有标准模型,那么是找不到上述问题的答案的。

    但是,标准模型有很多扩展理论,它们给我们带来了曙光。我们设计出的所有图景,对上述问题的解答都有两个共同点:

    1.它们指出,当我们大量制造不稳定的标准模型粒子时,会看到它们发生形式与标准模型的预言不符的衰变,这样的特殊衰变会重复出现,而且统计显著度很高。

    2. 它们预测,在能量足够高的情况下一定还存在标准模型尚未发现的、新的(不可分割的)基本粒子。

    超越标准模型的物理理论的候选者包括超对称模型、technicolor模型、额外维等等。但是,与理论物理学家不同,在实验物理学家看来,一个候选理论要能留下可通过实验探测的证据,才是有价值的。

    对于LHC而言,这意味着,用来检验这些理论的实验必须足以发现衰变率偏离标准模型预测的现象。比方说,如果标准模型预测,一个粒子衰变为一个τ子的分支比是1.1 × 10^-6,衰变为一个μ子的分支比为1.8 × 10^-5,那么实验就必须制造至少数千万个粒子并且对其衰变进行精确的观察。

    如果你“只”制造出1千万个粒子,且观测到它们中的180个衰变为μ子,14个衰变为τ子,那么你还不能宣称已经找到了超越标准模型的物理学。因为你的统计量还不够大。

    目前,我们制造出最重的基本粒子——希格斯玻色子和顶夸克,并进行了详细测量的事件只有数千例,由此可见,通过实验发现新物理的难度高得不可思议。如果我们能够搭建一个制造这些粒子的“工厂”,那么我们就能够以任意精度测量它们的衰变率,一些科学家提议建造的高能正负电子对撞机——国际直线对撞机ILC(International Linear Collider)就能完成这样的任务。

    但是,只有等LHC发现了非标准模型衰变存在的确凿证据或者新粒子后,才有可能建造这样的加速器。而且用来解决上述问题的理论要能成功预言这二者。

    问题是,目前超越标准模型的物理学的证据极为软弱无力:按粒子物理领域的标准,这类证据的统计显著度是微不足道的。这些初步结果令人兴奋是因为真的没有别的可以兴奋的了。如果LHC只发现了一个希格斯粒子,那么要么就是超对称理论错了,要么就是LHC的能量级别并不足以解决它原计划研究的问题。此外,如果在LHC的探测能量范围——低于2–3 TeV的能量水平上没有探测到如果存在就应该被LHC探测到的新粒子,那么,在能量级别达到100000000TeV前都不会有新发现的假设也就显得合乎情理了。

    运用现有技术,即使绕地球赤道一圈建造一个最大功率的粒子加速器,也无法达到那么高的能量。

    毫不夸张地说,在接下来的几年内,你将见到许多探讨“我们发现超越标准模型的粒子物理的最初迹象了吗?”的文章、报告和演讲。

    如果答案是“还不确定”,这是否说明:标准模型可能就是我们的粒子对撞机所能得到的最终结果。这不是可以登上新闻头条或得诺贝尔奖的令人激动的新发现,但有时候这就是自然给予我们的。接受令人失望的真相比相信那些耸人听闻的谎言要好的多。(作者:伊桑•西格尔(Ethan Siegel) 翻译:杨柳 审校:张旭阳)

    原文链接:

    https://medium.com/starts-with-a-bang/will-the-lhc-be-the-end-of-experimental-particle-physics-bf69355df75f

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