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粒子物理学的成就与挫败

前 言
粒子物理学在过去的三十年里一直蓬勃发展,但克莉丝汀·萨顿(Christine Sutton)指出,其中几乎没有任何关于标准模型的突破。
 
撰文 | Christine Sutton
翻译 | 罗彬月  陈 虎
责编 | 蒋海宇
 
“标准模型又挺过了无人攻破的一年,”来自牛津大学的粒子物理科学家丹·帕金斯(Don Perkins)三十年前如此宣称。
 
“但这对物理学来说,到底是个成就还是挫败呢?”帕金斯的言论出现在CERN Courier杂志1988年10月刊的一篇报道中。报道是关于几个月前于慕尼黑召开的“第二十四届国际高能物理大会(the 24th International Conference on High Energy Physics, ICHEP)”。
 
《物理世界》(Physics World)杂志没有报道那次会议。Courier报道称:“即使最细致的审视也没能撼动标准模型、没有发现任何漏洞,反而是异常结果在逐步消失。”
 
回过头去看这些话,我觉得用同样的话描述标准模型的现状也十分贴切,哪怕这之间的三十年中,粒子物理学领域有了如此多的进展。
 
缺失的片段
 
粒子物理学的标准模型里最关键的细节,也是帕金斯的评论针对的点,在三十年前就已被熟知(见下文方框)。但当时还有些人们没有解决的片段,和悬而未决的问题。比如,第六种夸克,即顶夸克,和第六种轻子,即tau中微子,都还没被发现。或许更重要的是,人们就连希格斯(Higgs)玻色子也还没找到。
 
“希格斯是这个模型里最突发奇想的部分,”保罗·兰盖克(Paul Langacker)在1988年的国际高能物理大会上这么说,那时他还在汉堡的DESY实验室工作,“唯一可以确定的是,如果希格斯粒子存在,那么它的质量一定在0到正无穷之间!”
 
大会还强调了其他问题。比如说,B0介子在物质和反物质之间是否显示出微妙的差别,即已经在较轻的K0介子中观察到的电荷宇称(Charge-Parity, CP)破坏?中微子是否具有质量,又能否在不同种类之间摆动?夸克能否自由地在夸克-胶子电浆这样的极限温度和密度中漫游?以及,为什么人们在地球上观测到的太阳中微子远远低于预期?
 
这些问题中有些已有答案——这要归功于新出现的、更为强大的粒子加速对撞机。这些对撞机在之后的几十年里,将标准模型的研究带上了一个新的高度,无论是在探索的深度还是精确度上。
 
对这些发展来说,最关键的有美国的斯坦福线性加速器(SLAC)和欧洲核子研究组织(CERN)的大型电子-正子对撞机(the Large Electron–Positron Collider, LEP)。正是从它们开始,粒子加速器才得以履行自己作为“Z工厂”的使命。也是因为它们,1989年终于第一次得出了关于玻色子“宽度”的研究成果。这次的测量证明:小质量的中微子只会有三种,因此,夸克和轻子家族中只会有三代。
 
顺理成章地,1995年,美国的费米实验室(Fermilab)在Tevatron质子-反质子加速器中发现了顶夸克。2000年,研究人员在实验里用Tevatron中的质子生成一束中微子时也终于找到了tau中微子。一年后,美国的BaBar实验和日本的Belle实验分别用小型高密度电子-正子对撞机产生大量B介子,并在这些B介子衰变的过程中发现了电荷宇称破坏。
 
再后来,在2000年,欧洲核子研究组织(CERN)通过重离子对撞获得了向夸克-胶子电浆的惊鸿一瞥后,美国也接着用相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider)对这一新的物质形态有了更确切和惊人的发现。截至2005年,这些发现已经表明,这种电浆并不是人们预期的气体,反而表现得无比接近液体。
 
当然还有些大型的富有想象力的实验,人们希望从粒子中寻求新能源的尝试也获得了许多重要发现。1998年,日本的研究者用超级神冈探测器发现,当大气层中产生的中微子穿过地球时,会从一种类型振荡到另一种类型。这个现象的唯一的解释就是:这些粒子有质量。这也是人们首次得到超出标准模型的物理学迹象。
 
而在半个世界之外的加拿大,萨德伯里中微子天文台(Sudbury Neutrino Observatory, SNO)的研究者在2002年之前就终于破解了太阳中微子总是渺无踪迹的奥秘。他们在探测了各种各样的中微子之后,发现之前的实验只对电子中微子敏感,因此部分从太阳中心运动出来时改变了种类的中微子被漏掉了。
 
希格斯及其拓张
 
2008年十月是《物理世界》杂志的20周年纪念,二十年来,许多创刊时的难题已被解决,但其中最重要的一个问题还没有:希格斯玻色子到底在哪里?
 
值得庆幸的是,欧洲核子研究组织已经完成了一台新的加速器——大型强子对撞机(the Large Hardon Collider, LHC)。大批科研人员围着这台突破性的机器,而在他们要攻克的难题清单中,寻找玻色子就是排名很靠前的一项。
 
2012年,人们花费的大量金钱和人力终于获得了回报,长久以来寻找的玻色子终于第一露出了踪迹。它的质量约为125MeV/c2,大概是质子的130倍。除此以外,自从2010年投入实验,LHC已陆续将标准模型、B介子物理、和夸克-胶子电浆的研究带往了更深入的层次。
 
其他领域里激动人心的发现同样打开了新的天地。2002年,欧洲核子研究组织首次制造出了大量的“反氢”,由此激发了一系列反氢研究。2015年,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)在实验中历史性地首次发现了引力波。而今年,位于南极的冰立方中微子天文台(IceCube)首次发现了高能宇宙中微子的一个遥远的来源。
 
后两个发现尤其反映了粒子物理学、天文学和宇宙学之间紧密的联系,由此粒子物理学家们将自己的技能稍作修改就可以用来探测各种各样来自宇宙的信使。一个新的学科——“天体粒子物理学”,就这么诞生了。
 
未来的挑战
 
从第二十四届国际高能物理大会以来,三十年转瞬即逝。大会里的“购物清单”上的问题似乎已被一一勾掉,但是当时其他的问题还没有被解决,而新的问题也不断被加入人们的“购物清单”。
 
今年的第三十九届国际高能物理大会在首尔举行,仍然是兰盖克——却已在普林斯顿高等研究院任职——又一次就研究进展进行了总结性发言。
 
一方面他强调了标准模型能很好地描述低至10-16 cm的微小物质,即使研究者持续不断的在LHC等环境中进行试验来证明并非如此;而另一方面,兰盖克也强调了现阶段的一些新问题。
 
比如,暗物质和暗能量(我们现在知道分别占宇宙质量能量的26.8%和68.3%)的本质是什么?物质粒子和造成交互的粒子间真的存在超对称性吗?物质粒子和介导其相互作用的粒子之间是否存在超对称性?这种对称性所要求的新粒子能帮助解释暗物质吗?造成物质宇宙存在的物质-反物质的不平衡的源头又是什么呢?量子引力理论最强大的竞争者——弦理论,是可以被验证的吗?
 
这些问题足够粒子物理学家在之后的三十年里不得空闲。要找出它们的答案,粒子物理学家得先设法增加设备的强度,比如预定于2025年启动的高亮度LHC;还需要提高之后的线形或环形粒子加速器的能量。除此之外,中微子物理学领域中的研究者也在积极发展他们的粒子加速器和核反应器。
 
除了加速器,还有些新颖的实验也在继续进行,比如对构成暗物质的弱交互重粒子的搜索。同时,天体粒子物理学中的“多信使”研究,结合了宇宙射线、中微子、引力波等不同信号的测量,似乎必然会将宇宙的神秘面纱撕开更加激动人心的一角。
 
2018年兰盖克在国际高能物理大会上的发言,换句话说就是,所有这一切都将指向一个更好的标准模型,而随着粒子物理学继续探查最小的刻度和最高的能量,标准模型将更好地描述我们看到的宇宙。
 
或许在未来的三十年中,帕金斯的论断将不再是事实,而在2048年的国际高能物理大会(如果这个大会能办到那时候)上作总结发言的人,将会谈及一个崭新的标准模型。 
 
 原文链接:https://physicsworld.com/a/triumphs-and-frustrations/
 
版权声明
原文标题“Triumphs and frustrations”,首发于2018年10月出版的Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
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