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粒子物理学深陷危机 多年来再无重大发现究竟是为什么?

http://www.tzgcjie.com 来源:前瞻网            发布时间:2018-09-17 17:08:53

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近年来,物理学家们对来自大型强子对撞机(LHC)的数据越来越感到不安。我们花了几十年的时间,精心设计出了亚原子粒子量子动物园的行为(亚原子粒子是已知宇宙中最基本的组成部分)。而标准模型是迄今为止我们所取得的成就顶峰,它的一些理论预测被证实在100亿分之一的误差范围内——这达到了一个非常惊人的精确度。但仍有许多问题还没有得到解答。首先,引力从何而来?为什么物质粒子总是拥有三个越来越重的、质量有特殊模式的副本?什么是暗物质,为什么宇宙中包含的物质比反物质多?

为了解开这些谜题,物理学家们一直在将优雅而令人兴奋的新数学结构嫁接到标准模型上。从艾萨克·牛顿(Isaac Newton)时代起,基础物理学就沿着这条弧线展开了研究:追求统一。这条弧线中,科学试图将看似完全不同的“表面”现象通过识别、理论化并最终证明它们共同的“基础”起源来解释它们。这种自上而下的、推理的思维方式产生了许多值得关注的发现。牛顿认为,一个苹果掉到地上,以及围绕太阳旋转的行星,都可以用引力来解释。1928年,物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)将量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合起来,提出了反物质。自20世纪晚期以来,弦理论学家一直试图调和重力和量子物理学,他们将粒子设想成存在于10到26维空间中的微小振动弦环。

因此,当欧洲核子研究组织(CERN)在2015年第二次在日内瓦郊外启动大型强子对撞机时,人们对理论验证的期望很高。物理学家们最具冒险精神的自上而下思维的成果终将受到考验。在第一个三年的运行中,大型强子对撞机已经取得了惊人的成果:2012年,CERN宣布发现了希格斯玻色子,它是在高能质子之间的正面碰撞中产生的。这种新粒子只存在了短暂的一瞬间,然后就以特定的、标志性的能量衰变为一对光子,正是这对光子引导我们发现了希格斯玻色子。但真正让科学界兴奋的不是新粒子本身,而是物质如何获得质量的理论的确凿证据。在1964年英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和其他科学家提出了他们的玻色子假设之前,新兴的数学模型预测粒子根本不应该有质量,但这显然是与证据相反的。最终,在这个假设被首次提出半个世纪后,玻色子正式进入了亚原子寓言集,这是标准模型有待实验验证的最后一部分。

不过这一次,理论家们希望看到的更奇异的粒子和相互作用都没有出现。没有“静止夸克”,没有“胶子”,没有“中性子”。这个令人失望的结果现在包裹着标准模型的外壳,就像漂亮的旧护卫舰上的藤壶,正在把她拖到海底。看起来长达几个世纪的自上而下的统一进程已经停滞,粒子物理学可能面临全面的危机。

在质量问题的背后,一个更大、更难的问题隐藏在标准模型中:为什么希格斯玻色子这么轻?在实验中,它的重量是质子质量的125倍,但是使用该理论的计算表明它应该更大:大约是质子质量的1000亿倍。

这个超大质量的希格斯玻色子应该是量子波动的结果,这个量子波动即一个超重的粒子-反粒子对,它被产生后只存在了短暂的瞬间,随后就会湮灭。超重粒子对的量子波动应该会对希格斯玻色子产生深远的影响,希格斯玻色子的质量对它们非常敏感。标准模型中的其他粒子被某种数学对称性所屏蔽,不受量子效应的影响——也就是说,物体在转换过程中不会发生变化,就像一个旋转了90度的正方形——但希格斯玻色子是唯一的例外,它能敏锐地感受到这种影响。

但事实并非如此,因为希格斯粒子的质量看起来非常小。一个合乎逻辑的解释是大自然选择了希格斯玻色子质量的初始值,以精确地抵消这些量子波动,其精确度为1016分之一。然而,这种可能性似乎微乎其微,因为初始值和量子波动之间没有任何关系。这就好比把一支尖尖的铅笔丢到桌子上,然后让它完全垂直地落在桌子上,在它的尖端保持平衡。从物理学的角度来说,铅笔的结构是不自然的或微调过的。正如空气的运动或微小的振动会让铅笔掉下来一样,希格斯粒子的质量也不应该被如此完美地校准,以至于它有能力抵消量子波动。

然而,与其用一种不可思议的对应关系来解释这种现象,也许希格斯玻色子的自然性问题可以用一种更基本的新理论来解释:超对称理论。为了掌握超对称性,我们需要更仔细地观察粒子。粒子的行为有点像微小的旋转顶部,尽管它们的旋转量是有限的。例如,宇宙中所有的电子都有相同的自旋量;所有的光子都是这个量的两倍,所有的希格斯玻色子都没有自旋。自旋的基本单位是电子的自旋。其他粒子的自旋只等于某个整数乘以电子的自旋。

每一次碰撞都是一个量子过程,这意味着它本质上是随机的

超对称理论是一种连接不同自旋粒子的想法:它说它们是同一物体的不同方面。重要的是,如果反粒子的自旋是电子自旋的奇数倍,或者如果反粒子的自旋是电子自旋的偶数倍,那么影响希格斯玻色子的粒子-反粒子对的巨大量子波动会使希格斯玻色子变得更轻,或者更重。这意味着超对称理论可以平衡量子效应对希格斯玻色子质量的影响,就像跷跷板一样,一边是所有的奇数自旋粒子,与另一边的偶数自旋粒子完全平衡,整体效果是跷跷板不动,而希格斯玻色子质量也没有受到巨大的量子影响。

超对称的一个主要结果是:我们所知道的每一个粒子都应该有一个具有完全相同属性的副本(“超级伙伴”)——除了两方面:第一,它的自旋应该有一个单位的不同,第二,这个超级伙伴应该更重。超级伙伴的质量不是固定的,但是质量越重,粒子和超级伙伴之间的抵消就越不准确,你就越需要依赖于粒子本身的质量来进行微调。人们可以使超级伴侣的质量大约是质子质量的1000倍,并且它们仍然能够相当好地运作,但是如果把质量增加10倍,这个理论就会变得很不自然。

通过将质子撞击在一起,LHC应该能够产生这些质量是质子质量的1000倍左右的超级伙伴。要做到这一点,你需要通过爱因斯坦的狭义相对论方程:E=mc2(能量等于质量的平方),把质子束的能量转换成预测的超级伙伴的质量。然而,每次碰撞都是一个量子过程,这意味着它本质上是随机的,你无法准确预测会发生什么。但是使用正确的理论,你可以计算出各种结果的相对概率,通过测量数十亿计的碰撞,你就可以根据产生的粒子的相对频率来检查理论的预测。

正如你已经知道的,要想知道质子碰撞时发生了什么,需要大量的观察工作。在这种情况下,你试图通过观察超对称粒子衰变为更普通的粒子来检查它们产生的频率。这些副产物的位置是由巨大的探测器来测量的,这些探测器放置在LHC的反向旋转光束的交叉点周围,就像一个巨大的三维摄像机。

超对称粒子的特征是产生一种看不见的很重的粒子,它能像小偷一样溜进探测器并不留痕迹。这些非常弱相互作用的粒子是宇宙中暗物质起源的候选粒子;我们从宇宙论的测量中了解到这种奇怪的、看不见的物质数量应该是普通物质的四倍。它们存在的危险信号意味着碰撞产生的动量被窃取,也意味着碰撞前后的动量不平衡。

我和我的同事密切关注着大型强子对撞机,寻找超级伙伴的蛛丝马迹。但是目前我们还没有找到,我们开始问自己,我们是否不知何故地错过了它们,也许有些碰撞产生的粒子能量太低而无法观测。或许我们对暗物质粒子的看法是错误的——或许还有其他不稳定的粒子。

但最终这些想法并不能让我们放弃现在的努力。利用各种实验分析技术,对其进行了筛选和证伪,另一种可能是:超级伙伴比我们预期的要更重一些;因此,也许希格斯玻色子的质量确实有一些抵消(比如说,几百分之一)。但是,随着数据的增加,以及大型强子对撞机的束流能量不断增加,作为希格斯玻色子自然性问题的解决方案,超对称理论这个解释的可能性正在变得越来越小。

最糟糕的迹象是,自然性的问题并不仅限于希格斯玻色子。

问题是什么时候放弃超对称理论还尚不清楚。的确,更多的数据正在从大型强子对撞机实验中出来,但是目前依然没有看到超级伙伴存在的蛛丝马迹,如果它们的确存在的话,它们就会变得越重,解决问题的可能性也就越小。但是现在还没有一个明显的可以让人说“啊,好吧,就这样吧——超对称理论已经行不通了”的点。每个人都有自己不再相信的那个点,那个点就算不能让人们停止相信,至少也足够让人们停止工作,而且他们对这个点都具有自己的偏见。大型强子对撞机实验仍在进行中,在寻找超级伙伴方面仍有大量努力,但我的许多同事已经转向新的研究课题。在我科学生涯的前20年里,我咬牙切齿地认为在LHC实验数据中会发现超级伙伴的方法,现在我几乎把它作为一个研究课题而放弃了。

这也可能是因为我们对希格斯玻色子之谜的框架理解有误。也许我们在计算质量的数学框架中漏掉了一些东西。研究人员一直沿着这条思路工作,到目前为止什么也没有找到,但这并不意味着没有解决方案。另一种怀疑与一个事实有关,那就是重粒子的假设依赖于基于量子引力理论的论据,尽管这种理论存在数学上一致的结构,但尚未得到证实。

也许,在目前的粒子物理学研究方法中,最糟糕的迹象是:自然性的问题并不局限于希格斯玻色子中。计算告诉我们,真空空间的能量(我们从宇宙论测量中推断它应该是微小的)应该是巨大的。这将使宇宙的外层空间减速远离我们,而事实上,对某些遥远超新星的观测表明,我们宇宙的外层空间正在加速远离我们,超对称理论并不能解决这个矛盾。我们中的许多人开始怀疑,能够解决宇宙的真空能量这个更困难的问题的理论,肯定也会解决关于希格斯粒子质量这个相对更简单的问题。

所有这些挑战都是由于物理学坚持还原统一而产生的。无可否认,这种方法有其独特的历史渊源。在我上世纪90年代攻读博士学位和早期职业生涯中,它在理论家中风靡一时,而极其复杂的弦理论数学更是它的巅峰,但我们自上而下的努力似乎都没有取得成果。试图理解基本原则的困难之一是它要求我们做出许多理论上的假设,其中任何一个都可能最终是错误的。我们希望在这个阶段能够测量出一些超级伙伴的质量,这将给我们一些数据来支持我们的假设,但我们还没有找到任何可以测量的东西。

这并不意味着我们需要放弃统一范式,这只是意味着渐进主义比专制主义更受欢迎。

相反,我们中的许多人已经从传统的自上而下的工作方式转变为一种更加谦逊、自下而上的工作方式。现在,我们不再试图通过提出一个宏大的理论并对其进行测试,而是在实验数据中寻找蛛丝马迹,然后一点一点地进行研究。如果一些测量与标准模型的预测不一致,我们添加一个具有相对应属性的相互作用粒子来解释它,然后我们看它是否与其他数据一致。最后,我们想知道未来如何观察粒子及其相互作用,以及实验应该如何筛选数据以进行测试。

自下向上的方法远不如自上向下的方法雄心勃勃,但它有两个优点:它对理论的假设较少,而且与数据紧密相连,这并不意味着我们需要放弃旧的统一范式,它只是表明我们不应该如此傲慢以至于认为我们现在可以在一步之内统一物理。这意味着渐进主义比专制主义更受欢迎——我们应该在全部情况下都使用经验数据来检验和指导我们,而不是做出那些在面临最终实验的时候会崩溃的宏伟假设。

自下向上的一个测试例子就是底介子,底介子是一种由底夸克和轻夸克组成的复合粒子。底介子似乎在以一个“错误”的可能性在衰变。在大型强子对撞机上的实验已经测量了数十亿次这样的衰变,但似乎从特定的相互作用中得到介子对的概率大约是标准模型所预测的概率的四分之三,我们还不能完全确定这种现象是否与标准模型存在强烈分歧——我们正在分析更多的数据,以确保结果不是由统计数据或一些微妙的系统错误造成的。

而我们中的一些人正忙于推测这些发现可能意味着什么。两种不同类型的、新的、未被观察过的陌生粒子——Z-primes和轻夸克,每一种粒子都深埋在底介子的内部——它们可能是造成底介子行为失常的原因,问题是人们并不知道是哪一种(还是两种)类型的粒子需要对此负责。为了进行检验,理想情况下,我们应该在大型强子对撞机的对撞中产生它们并检测它们的衰变产物(这些衰变产物应该包括具有一定能量的介子)。大型强子对撞机有机会产生Z-primes或轻夸克,但也有可能它们太重了,而在那情况下,人们需要建造一个更高能量的对撞机:一个将能量束的强度提高到LHC的7倍雄心勃勃的计划,这将是一个不错的选择。

与此同时,我和我的同事们问:“为什么会有新的粒子存在?一种新的数学对称性有可能是Z-primes存在的原因:它需要z素数的存在才能成立。从这个对称中,我们得到了额外的理论约束,以及一些可能的实验特征的预测,这些特征可以在将来的实验中得到验证。通常,底介子也被预测有一定的可能性以其他方式衰变,例如,衰变成为一个叫做反介子的东西。大型强子对撞机将在未来积极分析其数据,以获取此类信号。

我们从一个实验特征开始(特定的底介子衰变与标准模型预测不一致),然后我们试图“塞入”一个新的假设粒子来解释它。它的预测必须与当前的数据进行比较,以检验这种解释是否仍然可行。然后我们开始建立一个额外的理论结构来预测粒子的存在,以及它的相互作用。这一理论将使我们能够预测未来的衰变测量,以及在LHC中寻找新粒子的直接产生。只有考虑到这些测量和搜索的所有提示,并对模型结构进行调整之后,我们才可能希望将这个结构嵌入一个更大、更统一的理论结构中。这也许会使我们逐步走上统一的道路,而不是试图一步到位地完成统一的过程。

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