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2015年,物理学的分水岭?

2017-07-06  mingmu888   |  转藏
   


本文选自《环球科学》2014年6月号。


撰文 约瑟夫·莱肯(美国费米国家加速器实验室理论物理学家)

玛丽亚·斯皮罗普卢(加州理工学院粒子物理实验学家)

翻译 刘金岩(中国科学院自然科学史研究所的助理研究员,从事现代物理学史研究,她在中国科学院理论物理研究所获得博士学位,研究方向为粒子物理和量子场论)


2012年夏天的一个黎明时分,在加州理工学院的办公室内,我们已经在喝第三轮咖啡了。这时,办公室的视频同欧洲核子研究组织(CERN)实验室的视频接通了。通过显示器,我们看到了Razor团队中我们的同事。CERN的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上开展的CMS实验,会产生众多的实验数据,Razor团队是众多分析实验数据的研究小组之一,其目的是寻找独特的对撞结果,这些结果也许能为超对称理论(supersymmetry)提供第一手证据。超对称理论提出已有40多年之久,它改变了人们对粒子物理的常规理解,能够解决物理学中的深层次问题,解释宇宙中暗物质的性质。但是,经过几十年的寻找,物理学家仍然没能找到与超对称相关的实验证据。


毛里西奥·皮耶里尼(Maurizio Pierini)是Razor小组的领导,当一组新数据在他眼前闪过时,尽管我们远在9个时区以外,却清楚地看到他露出的惊讶表情:这意味着出现了反常数据。“我们需要仔细看一下这个情况,”皮耶里尼实事求是地说道。他提到的“这个情况”是指一次特殊的质子与质子的对撞,在LHC上大概每数万亿次粒子对撞,才能出现一次这种特殊情况。我们两人在数分钟内将这次对撞的全部数据导出到笔记本电脑上。


多年来,一些深奥的问题一直困扰着物理学家。令人惊奇的是,利用超对称理论能够很好地解决这些困扰。超对称给出了一系列“为什么”的答案。例如,为什么粒子会有质量?为什么力会有强度?简而言之:为什么宇宙看上去会是这样子的?另外,超对称理论预言,宇宙中充满了迄今为止尚未发现的“超对称伴子”(superpartner)粒子,这将可以解释宇宙中的暗物质之谜。不夸张地说,大多数粒子物理学家都相信,超对称理论是对的,是令人信服的。一直以来,物理学家都希望在LHC上的实验能够最终发现这些超对称伴子,从而提供真凭实据,证明超对称理论的正确性,确认该理论是对宇宙的真实描述。


把上述奇异对撞数据导入电脑时,我们立即看出,呈现出的结果是超对称的确凿信号。通过数据可以看到,两束高能粒子束朝某一方向运动,这是被一些不可见物质反冲的结果,或许这些不可见物质就是超对称伴子?然而,我们很快就注意到,数据中有一个很大的红色尖峰。这些数据是否是因探测器故障而导致的假信号?最终,事实也证明,这一结果带给我们的,不过是又一次失望而已,寻找超对称似乎是一条无止境的道路。


事实上,LHC第一次运行的实验数据,已经排除掉了几乎全部的超对称理论版本。这些消极的结果或许正在酝酿粒子物理的全面危机,至少也是大范围的恐慌。到2015年初,LHC将以最初设计的最高能量运行,从而使ATLAS和CMS实验的研究人员能够有机会发现(或者是排除)质量更重的超对称伴子。如果在LHC运行结束之时仍没有发现新数据,基础物理将面临一个十字路口:要么放弃寻找有关超对称理论的证据,承认自然界并非是按照我们认为的规则在运行;要么坚持并期待在不久的将来,建立一个更高能量的对撞机,找到证据,证明超对称理论是正确的——就像我们一直认为的那样。


在科学的历史长河中,有许多长期寻找某一物质并最终取得成功的例子,比如在LHC上发现的希格斯粒子。现在,粒子物理学家正在紧张地“咬着自己的指甲”,因为来自LHC的实验数据,即将检验建立于40多年前,堪称理论物理根基的超对称理论。


为什么需要超对称?


超对称是理解量子诡异特征的众多尝试之一。对于亚原子物理,我们已经构建了一个极为成功、并同时具有预言能力的理论,即粒子物理标准模型(Standard Model)。这个模型将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论结合在一起,对粒子以及粒子间的相互作用力做了统一描述。物质是由一类名为费米子[fermion,以恩里科·费米(Enrico Fermi)的名字命名]的基本粒子组成,费米子之间通过另一类名为玻色子[boson,以萨蒂延德拉· 玻色(Satyendra Bose)的名字命名]的粒子传递相互作用力,从而结合在一起。


标准模型很好地描述了亚原子物理的相互作用及其运动规律。但是,当我们考虑标准模型为何会具有这些特性时,却遇到了麻烦。例如,标准模型认为,自然界具有3种不同类型的轻子(lepton,一种费米子):电子、μ子(muon)和τ子(tau)。为何是3种轻子,不是2种,4种或者是15种?标准模型对此并没有给出解释,这就要求我们进行更深层次的探索以获取答案。类似的,也许我们还会问,为什么电子的质量会是这样?为什么电子的质量会比希格斯玻色子的质量轻?对于这些问题,标准模型同样没有给出答案。


对于上述问题,粒子物理学家思考了很长时间。于是,他们构建了许多模型来解释,标准模型为什么会是这个样子。例如,弦论(string theory)就是一种能够理解更深层次问题的模型。类似的例子比比皆是。


但是,标准模型的所有附加理论都有一个问题。任何涉及全新物理观念的理论(比如弦论),都意味着存在新的假设粒子。这些新粒子可能具有极大的质量。由于质量大的粒子很难在对撞实验中产生,这就能够解释我们为何在LHC这样的加速器中尚未发现新粒子。但是,这些质量极大的新粒子也像希格斯粒子一样,会对普通物质产生影响。为什么会出现这样的情况?答案在于量子的诡异特性。


在量子力学中,粒子之间通过交换所谓的“虚粒子”(virtual particles)而发生相互作用。例如,两个电子之间的相互排斥力,大致上可以简单描述为电子之间交换了一个虚光子。理查德·费曼(Rachard Feynman)推导出了一系列简洁的规则,可以描述稳定粒子和虚粒子之间相互作用的量子效应。


但是在量子理论中,任何没有被严格禁止的事情,事实上都有可能发生,至少偶尔能发生。通过交换虚粒子,不仅电子之间可以发生相互作用,电子还能够与其他粒子(包括标准模型的扩展理论中所预言的新假设粒子)发生相互作用。但这些相互作用会产生很多问题,除非类似超对称这样的新物理模型确实成立。


现在,我们再来考虑标准模型中赋予基本粒子质量的希格斯玻色子。如果你有一个希格斯玻色子,也有一些超重粒子,它们会通过虚量子交换而发生相互作用。这使得希格斯粒子的质量将会变得超大。瞬间过后,宇宙中的所有物质都将变为超重粒子。我们都将塌缩为黑洞。为什么这种恐怖的情形实际并未发生?超对称可以给出最好的解释。


费米子维度


超对称理论通常被人们昵称为“SUSY”(发音同“Suzy”),其基本思想是在20世纪70年代,由一些对对称性和粒子物理之间的关系感兴趣的物理学家发展出来的。超对称并不是一个特定理论,而是一个理论框架。当满足一定的属性时,许多关于宇宙的独立模型都可以是“超对称”的。

在描述粒子及其相互作用力的物理规律中,包含许多通常意义上的对称性。无论你在何时、何处测量物体,测量时面朝何方;相对于物体,你是处于静止状态还是运动状态,这些因素都不会影响物理定律。这些时空对称性在数学上可以表示为能量、动量和角动量守恒定律。从这些对称性本身我们可以推导出能量、动量和质量之间的关系式,例如著名的E=mc2。自从爱因斯坦于1905年提出狭义相对论以后,物理学家已经对这些关系式有了充分的理解。


量子力学貌似遵守这些对称性。物理学家甚至利用对称性预言了新现象。例如,保罗·狄拉克(Paul Dirac)于1930年预言,将量子力学与相对论结合起来时,时空对称性意味着,任何粒子都有一个与之对应的反粒子(电荷相反)。由于在当时并没有人看到过反粒子,狄拉克的这个想法听起来很疯狂。但最终,狄拉克的想法被证明是正确的,他利用对称理论做出了这个大胆而正确的预言:世界上的基本粒子数目是我们预期的两倍。


超对称理论依赖于一个与狄拉克观点类似的论据。该理论假设,时空存在着一个量子延展空间——超空间(spacetime),粒子在这个超空间下具有对称性。

超空间并不具有通常意义上的诸如“上—下”、“左—右”的空间维度,而是具有额外的费米子维度(fermionic dimension)。费米子维度下的运动是有限的。在普通空间维度下,你可以朝任何方向、任何距离做运动,对于运动步伐的大小和数目没有限制。相比之下,在费米子维度下,运动的步伐是量子化的,一旦你迈出一步,费米子维度就“满”了。如果你想多走几步,要么选择不同方向的费米子维度,要么顺着原来的费米子维度再返回一步。


对于玻色子而言,在费米子维度中前进一步,意味着将会转化为费米子;对于费米子而言,则会转化为玻色子。此外,当你在费米子维度中前进一步再返回原来的位置时,你会发现在普通的时间或空间下,自己也有了小小的变化。因此,在费米子维度下的运动与普通运动,通过某种复杂的方式联系在了一起。

为什么超对称这么重要?因为在超对称世界中,费米子维度上的对称性限定了粒子之间的相互作用。尤其是所谓的自然超对称理论(Natural Supersymmetry),这一理论极大地压低了虚粒子效应。自然超对称禁止希格斯玻色子与高能粒子发生相互作用,从而避免我们变成黑洞。(非自然的其他超对称理论要求有额外机制压低虚粒子效应)。物理学家要发展新的理论来理解标准模型,自然超对称理论为其扫清了前进道路上的障碍。


寻找超对称


所有的超对称理论都说明,每一个玻色子粒子都有一个费米子伴子粒子(超对称伴子)与之对应,反之亦然。而已知的费米子和玻色子中,没有哪个粒子看起来像另一个粒子的超对称伴子,因此只有在一种情况下超对称理论才能是正确的:宇宙中存在大量的、还未被探测到的超对称伴子粒子。


而困难也来于此。最简洁、最有竞争力的超对称理论版本——自然超对称理论规定,超对称伴子的质量不能重于希格斯玻色子的质量。这意味着我们应该可以在LHC上探测到超对称伴子。事实上,如果在10年前你问物理学家是否能找到超对称伴子,他们中的大多数人会猜想,到现在我们应该已经找到了超对称伴子存在的证据。


但事与愿违,我们目前还没有发现任何可靠证据。我(本文作者斯皮罗普卢)还记得在2009年,作为CMS探测器值班领导的那个午夜,当时控制室里挤满了物理学家,每个人负责监视这个14 000吨的超级复杂探测器的不同子系统。凌晨两点,我接到来自LHC环形对撞机另一侧的CERN控制中心的电话:今晚终于要来了,他们将要实现曾经设想的最高能量的质子—质子对撞。


我发出指令,小心启动CMS探测器的每一个部分,将探测器中较为脆弱的部分留到最后运行。凌晨4:11分,整个探测器启动了。此时,整面墙上的监视器在狂乱地变化,超快的电子闪烁显示着在100米地下发生的超多对撞(每秒钟发生20 000 000次对撞)的数据。在伊利诺斯州的费米国家实验室,我利用Tevatron对撞机来寻找超对称迹象已有10年,因此我满心期待着,这次能够识别到预期中的特定信号。我告诉自己要保持冷静,这仅仅是开始——通过目测来研究对撞结果,这听起来非常让人心动,但这种方式是不可能胜任如此重要的发现的。


事实上,像LHC这样花了100亿美元建造的一个巨型对撞机,你不能期待在它启动后的第一个晚上、甚至是第一年内就发现什么。尽管如此,在LHC运行初期我们还是抱有极高期望。在CMS(以及ATLAS)上,我们制定了详尽的计划,希望利用LHC的首批数据去发现超对称。对于超对称信号中的暗物质粒子,我们的计划是,不直接寻找,而是利用“丢失的能量”来寻找:可见粒子在被不可见物质反冲后,会产生明显的不平衡迹象。我们甚至想到要写一篇关于这类发现的文章,并拟好了文章的日期和题目。


这篇文章到现在也没有写成。实验几乎排除了大多数可能的超对称伴子隐藏方式,仅有一小部分还没有经过探测。这些超对称伴子质量不可能很轻,不然我们早该发现它们了;但也不能很重,因为这不能满足自然超对称理论的要求:这种超对称会有效地压低虚粒子的效应。如果在LHC的下一期运行中还是没有发现超对称伴子,或者没能及时发现,一场物理学危机将会到来。


多重宇宙、额外维与量纲变换


对于更普遍意义上的超对称思想,虽然它并不能胜任自然超对称理论的所有工作,但是理论学家并不打算放弃这种思想。我们之前提到过,超对称理论不是一个模型,而是关于构造世界模型的框架。所以,即使目前的所有超对称模型都被一一排除,将来的实验数据可能依然会支持超对称思想。


普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study in Princeton)的物理学家尼马·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)曾在加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的卡维里理论物理研究所(Kavli Institute for Theoretical Physics)做过一次演讲,在演讲中他提到了超对称的未来发展。当时,房间内挤满了听众,尼马在黑板前来回走动,他问道:如果在LHC上没有发现超对称该怎么办?在听众回答之前,尼马自己回答了这个问题:那么我们可以构建新的超对称模型,使得超对称伴子在实验探测能力之外。这不是意味着我们要改写故事吗?不过这也没什么问题,物理学家不需要始终如一,只要他们的理论能够自圆其说就可以了。


大多数物理学家坚信,超对称理论是正确的。但是,粒子物理理论学家不得不承认,自然超对称理论已经遇到了麻烦。除非科学家在不久的将来能够发现超对称伴子,否则该理论将会被扔进垃圾箱里。在科学史中,也遇到过这样的难题,并最终导致了科学范式的转换。例如一个多世纪以前,正是寻找“以太”(luminiferous ether)工作的失败,才导致了狭义相对论的提出。


如果超对称并非这个世界的正确描述方式,什么理论能够取代它?下面是三种不同的可能答案。它们代表了科学家在基本物理和宇宙学上新的思考方向。


多重宇宙(multiverse):基本力的强度、基本粒子的质量以及质量起源依然是一个谜团。我们并不认为粒子质量是随意确定的,因为如果粒子质量稍稍变化,我们生活的宇宙就会发生巨大改变。例如,原子的形成过程就会遇到麻烦,生命的进化也不会发生。按照理论物理学家的说法,我们现在生活的宇宙貌似是经过“精细调节”的。超对称理论试图去解释,为何这些参数会有现在的取值。这为理解更深层次的物理机制开辟了道路。但是,如果这条道路根本就不存在,又将会如何?


假若那样,我们只好去考虑这种可能性:精细调节只是一个随机事件——当你假设存在多重宇宙时,这种想法就变得更加有吸引力。在多重宇宙论的图景下,大爆炸不仅仅产生了我们看到的这个宇宙,同时还产生大量的我们无法看到的变形宇宙。假若这样,关于“电子为何具有目前的质量”这个问题,答案就成为了“这只是个随机抽签——在其他宇宙中存在不同种类、不同质量的电子。”我们所好奇的精细调节问题,仅仅是宇宙历史中的随机事件。在这个宇宙中,精细调节的参数能够允许有生命的产生与进化,也才会有物理学家质疑,为什么他们在LHC上没有发现自然超对称的迹象。


但是,对于大多数物理学家而言,多重宇宙论的解释无法令人确信,这和“将粒子物理中的反常归因于隐身天使”没什么区别。2004年诺贝尔物理学奖得主戴维· 格罗斯(David Gross)就曾说过:诉诸于不可知的初始条件其实是意味着“放弃”。


额外维(extra dimensions):美国哈佛大学的物理学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)和马里兰大学的拉曼· 桑卓姆(Raman Sundrum)已经证明,具有弯曲几何特性的额外维可以解释,为何引力的强度要弱于其他已知力。如果这些额外维是微观的,我们可能还没有注意到它们,但是它们的大小和形状会对高能粒子物理产生巨大影响。在这类模型中,我们要在LHC上寻找的并不是超对称伴子,而是一类奇异的重粒子——克鲁札-克莱因模式(Kaluza-Klein mode),其质量实际上是它们在额外维度上的运动的能量。


量纲变换(dimensional transmutation):在这种理论中,不再需要借助超对称理论来压低虚粒子效应,而是提出一个包含这种效应的新想法,从而解释质量的起源。以质子为例。质子并非基本粒子,而是由三个质量很小的夸克以及无质量的胶子(gluon) 组成。质子的质量比构成它的夸克和胶子的质量总和要重,那么超出的那部分质量是怎么得来的呢?这是由维持质子的“强”力所产生的能量场给出的。研究、理解了这些场之后,科学家能够做到,只根据一些普通数值(例如π)就可以准确预言质子的质量。


这是粒子物理学中一个很奇怪的情况。通常,我们只能利用其他质量来计算未知质量。例如,标准模型理论让我们无法预测希格斯玻色子的质量,于是只能靠测量去确定其质量。考虑到我们能够清晰、准确地预言质子质量,这貌似是一个明显的错误。费米实验室的物理学家威廉·A·巴丁(William A. Bardeen)做过一个开创性的研究工作,基于这些结果,一些激进的理论学家现在建议,希格斯粒子的质量是通过类似过程产生的,即所谓的量纲变换。


如果这种理论需要保留有用的“压低虚粒子效应”,从而避免灾难的发生(在其他理论中通常是由超对称来保证),那么就意味着,要放弃一些流行的、猜测“在超高能下物理规律是如何统一”的想法。这也会使科学家长期探索的量子力学和广义相对论之间的联系,变得更加神秘。但是这种理论也有其他优点。这类模型能够使暗物质粒子获得质量。另外,模型还预言,暗物质以希格斯玻色子为媒介粒子,与普通物质产生相互作用。这一大胆的猜测,也许会在未来几年内的LHC实验和地下暗物质探测实验中得到证明。


希格斯粒子可能还能提供其他线索:希格斯玻色子的发现表明,宇宙中充满了希格斯场,该场使得基本粒子获得质量。这意味着所谓“空”的真空并不空,而是充满了希格斯场和虚粒子,它们时刻发生着复杂的动力学变化。有人可能会好奇,真空是否真正稳定,会不会在某天发生一些倒霉的量子事件,从而触发宇宙发生灾难性的转变,变为一片空白。超对称可以使真空保持稳定,并避免上述灾难事件的发生。但是,如果没有超对称,真空的稳定性将敏感地依赖于希格斯粒子的质量:稍重的希格斯粒子代表稳定的真空,而轻的希格斯粒子则代表着世界末日。然而出乎意料的是:我们目前探测出的希格斯粒子质量,恰恰处在“世界末日”的边缘。这意味着我们处在一个可以长期存活、但从根本上说并不稳定的真空状态(见“厄运边缘”)。自然界可能试图告诉我们什么消息,但我们却不知道具体是什么内容。


暗物质信号:前进的灯塔


如果LHC在下一期运行时能够发现超对称伴子,通向超对称世界的大门将会开启,部分粒子物理学家也将结束目前的苦恼状态并变得无比兴奋。一次疯狂的智力冒险将会开始。


但是,如果没有找到超对称伴子,对于量子物理的基本理解将面临一个范式变化。这将会促使我们彻底重新思考宇宙结构下的基本现象。对希格斯玻色子性质进行更深入的理解,将是构建新范式极为重要的事情。一直以来,暗物质都是粒子物理中“孤独但执着的局外人”的身份,但与暗物质有关的信号,最终或许会成为指明前进方向的灯塔。


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