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双重迷雾:零结果的阴影笼罩物理学

 老沈阅览 2016-12-17

双重迷雾:零结果的阴影笼罩物理学

2016-12-17 Tom Siegfried 哲学园

有些我们不知道的东西在做着我们不知道的事情。

——阿瑟·爱丁顿


   科学家,就像运动员,对成功带来的快感着迷。就像他们害怕失败所带来的痛苦。但有时候失败更值得一提。2016年所有的实验数据都迫使物理学家不得不直面这样的失败,而且不止一次,而是两次。


宇宙中充满了暗物质和暗能量,如果揭开这两者之谜,我们将发现更多的宇宙奥秘
寻找暗物质的失败暗示着科学家或许需要新的方法来探索宇宙的奥秘。(? David Curtis)


根据理论,暗物质应该大量存在于宇宙之中,但是它仍然拒绝出现在被设计用来寻找它们的探测器和实验之中。


过去几十年来,物理学家一直致力于寻找全新的亚原子粒子,它们应该散布在广袤的空间之中。如果引力只来源于发光的物质,那么星系就旋转的太快。肯定有某些东西在那里——一个看不见,未经确认的引力来源,并且不像恒星和气体那样发光。事实上,假设爱因斯坦的广义相对论是正确的,许多天文观测手段都显示宇宙中有85%的物质都属于暗物质。


科学家相信,每秒钟,就有数十亿这些暗物质粒子穿过我们的身体。当然,我们的身体对此不会有任何的察觉。但是,一些精巧的探测器应该有能力记录暗物质粒子撞上探测物质中的原子核所发出的光。


但是这些实验不断地给出零结果。比如在今年八月的时候,世界上最灵敏的暗物质探测器LUX宣布他们没有发现任何一个可疑信号;在南极洲的IceCube寻找暗物质的候选者——惰性中微子,也给出了零结果。


LUX探测器采用白色聚四氟乙烯,能够在更大程度上收集光信号。光电倍增管将记录光信号。此外,LUX探测器还采用7万加仑(约合27万升)水,进一步保护探测器抵御背景辐射
世界上最灵敏的暗物质探测器宣布他们没有找到任何暗物质的信号。(? C.H.FAHAM)


物理学家仍然在努力的寻找中,很大程度上是因为他们还有另一个动机相信暗物质是由一种全新的粒子构成,那就是超对称理论所预言的新粒子


物理学家之所以被超对称吸引是因为它可以解决许多未解的问题,比如解释等级问题。超对称理论起源于物理学家努力地理解基本作用力和物质之间的对称性,就像爱因斯坦的相对论的基本思想源于他对空间和时间的对称的探索。


超对称理论的方程预言超对称粒子的存在,这些超对称粒子要比现在已知的粒子重的多:所有的费米子都有一个玻色子的超对称伙伴,以及所有的玻色子都有费米子超对称伙伴。一个大质量的超对称粒子有着可以作为暗物质候选者的性质;它跟普通物质之间的作用是非常弱的,因此物理学家给这样的一种粒子取了个名字叫“大质量弱相互作用粒子”(WIMP)。


LUX探测器位于美国南达科他州一座废弃金矿地下4580英尺(约合1400米)

                       LUX探测器位于美国南达科他州一座废弃金矿地下4580英尺(约合1400米)


对于许多物理学家来说,这些动机的汇合并使我们有足够的理由相信:并没有巧合这回事。这被称为“WIMP奇迹”,是寻找暗物质的主要动力。独立于任何理论预言,天文学家明显地观测到神秘的引力来源,很可能是来自未知的粒子。独立于空间中的引力异常,理论家预言新的大质量粒子散布在宇宙之中。两者相互支援,正如几个世纪以前牛顿的引力定律之所以赢得信任是因为它成功地解释了行星的轨道和掉落在地面的苹果。


许多物理学家认为世界上最强大的粒子对撞机——大型强子对撞机(LHC)——会产生WIMP。但是对暗物质的直接探测实验并没有找到任何WIMP的蛛丝马迹,LHC在今年没有看到任何产生WIMP的信号。上个月底,LHC的CMS团队发表了他们最新的实验结果,对于那些超对称理论的支持者来说,结果可能会使你们失望。即使对撞机达到了有史以来最高的能量,获取最多的数据,我们仍然没有看到任何新的东西。

负责探测光子信号的光电倍增管,安装在LUX暗物质探测器的顶部和底部。它们将记录暗物质粒子与氙原子核的撞击位置和强度

负责探测光子信号的光电倍增管,安装在LUX暗物质探测器的顶部和底部。它们将记录暗物质粒子与氙原子核的撞击位置和强度


   这意味着我们应该放弃寻找WIMP吗?仍然有希望。LHC实验或许随时会制造超对称粒子;暗物质探测器也随时可能在空中捕捉到WIMP。对WIMP的搜索仍然没有结束,虽然时间紧迫,但科学家还有机会继续探索。


然而,所有的零结果也可能预示着我们在追求理解宇宙的过程中有一个双重危机。如果WIMP不存在,就有两个巨大空白需要我们去填补。肯定有其它的东西在影响着星系的运动。也肯定存在其它的理论可以取代超对称帮助物理学家解释等级问题


对称性让我平静。缺少对称性则让我发狂。

——伊夫·圣·罗兰


在更深层次,双重失败使我们对构建20世纪物理学的方法提出质疑。或许用对称性原理来破译自然的基本设计已经到达了一个瓶颈,我们需要去探索隐藏在自然背后更深层的基本原理。上述提到的动机或许更像是物理学家一厢情愿的想法,而不是严谨的推理。



LHC的ATLAS实验对撞,科学家没有找到任何超对称粒子的证据。(? ATLAS)


不管如何,我们都不必感到失落。这些零结果——没有新发现——告诉我们物理学还远远没有结束,我们需要学习和探索的还有很多,它也暗示了下一个重大发现很可能远远超出了我们目前所能想象的。或许有某些非常革命性的想法就隐藏在今天失败的背后。但也或许不。例如,影响星系运动的神秘引力来源或许不是WIMPs,而是另一种更轻的理论粒子,称为轴子。答案是什么我们还不知道。


这对于那些富有创造力的科学家是一个绝佳的时期。自然越是不愿意轻易显露答案,越是能够激发我们的好奇心和想象力。我们所要做的就是在追求真理的道路上不断前行。


参考来源:

【1】T. Siegried. Shadows of two failed searches loom over physics. Science News.

【2】E. Conover. Dark matter come up empty. Science News. Vol. 190, November 12, 2016, p. 14.

【3】E. Conover. Supersymmetry’s absence at LHC puzzles physicists. Science News. Vol. 190, October 1, 2016, p. 12.

【4】T. Siegfried. Light in the dark. Science News. Vol. 183, January 12, 2013, p. 18.

【5】/cms-results/public-results/publications/SUS-15-012/index.html


扩展阅读:

【1】G. Bertone and D. Hooper. A History of Dark Matter. arXiv:1605.04909v2, May 24, 2016.


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