大型强子对撞机的5个发现

　　有时，看似一桩小事却足以让你抓狂。20世纪初，牛顿发现万有引力并完美解释了一系列现象，麦克斯韦写出了漂亮的电磁方程组，有一段时间，物理学家们似乎认为物理学的框架已经基本建立完成，接下来只是些零碎的修补工作而已。但是重视现实的开尔文提出物理学上空的两片“乌云”，这引发了一场科学革命。其中一片“乌云”就是热学中的能量均分定理在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

　　大型强子对撞机（图片来源：盖蒂图片社）

　　粒子物理学和量子力学的研究对象都是微观粒子，这类研究方向的物理学家发现了两种基本作用力和许多奇怪的基本粒子。但是在上世纪70年代之前，物理学家对微观粒子的认识还只是停留在已发现的上百种粒子上，他们的工作也只是检验和完善标准模型--占有主导地位的理论。30年后，物理学家利用加速器和对撞机发现亚原子微粒，这很重要。不过还存在着许多问题：为什么有些粒子有质量，而有些质量为零？四大基本作用力能够统一起来吗？广义相对论和量子力学之间的矛盾能消除吗？

　　这些尚未解决的问题是否又会引发另一场革命？要想找到答案，我们需要更强大的粒子对撞机，例如，周长为16.8英里（27公里）的内部温度低于外界温度的超导磁体环，还要能够在超高真空以接近光速的速度撞击粒子。2008年9月10日，这个耗资100亿美元的大型强子对撞机（Large Hadron Collider ，简称LHC），由全球数百名科学家和工程师共同努力完成，联合欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research ，简称CERN），很快打破了粒子碰撞的记录。

　　让我们回顾一下研究人员通过这个大型强子对撞机的研究成果，从最著名的开始。

　　希格斯玻色子

　　彼得•希格斯教授（Peter Higgs）（图片来源：盖蒂图片社）　　

　　在宏观世界里，我们假设所有尺寸的粒子都有质量。但是在微观世界中，电弱统一理论将电磁力和弱相互作用力统一为一种隐形的力，预测称为介质的特殊粒子不应该有质量，但是问题出在其实有些粒子确实有质量。

　　介质是力的载体。光子其实就是电磁波在空间中的传播，可以和其他粒子发生电磁相互作用，W和Z玻色子传递弱相互作用力。不过，光子是没有质量的，而根据欧洲核子研究中心，W和Z玻色子的质量差不多等价于100个质子的质量总和。

　　1964年，爱丁堡大学（University of Edinburgh）的物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)以及布鲁塞尔自由大学(Free University of Brussels)的罗伯特·布里特(Robert Brout)团队分别独立地提供一个解答（后称为希格斯机制）：假设存在这样一个特殊的场，也称希格斯场，粒子与场的相互作用程度决定了粒子传递的有效质量。如果希格斯场确实存在，那应该有介质粒子——希格斯玻色子，但是需要像大型强子对撞机这样的设备来检测这个粒子的存在。

　　2013年，物理学家证实希格斯玻色子的存在，其质量约为126千兆电子伏特，也相当于126个光子质量总和。由于质能等价性，物理学家有时候也使用电子伏特作为质量的单位。这个结论不仅改写了相关的参考书，还为研究宇宙的稳定性开辟了全新的研究领域。比如，为什么宇宙中的物质远多于反物质，以及暗物质的组成和丰度。

　　重四夸克态

　　已故的理论物理学家内森•伊斯格尔（Nathan Isgur）（图片来源：多伦多星报）　　

　　1964年，两名研究人员在试图理解强子（参与强相互作用的基本粒子）——强相互作用下的亚原子粒子时，他们独立提出了相同的观点，即亚原子粒子是由三种类型的粒子组成的。乔治·茨威格（George Zweig）给它起名为艾斯（Aces）， 默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）称之为夸克，三种夸克中两种同位旋为1／2，另一种同位旋为0。在同位旋为1／2的两种中，同位旋向上的，称为上夸克（up）；同位旋向下的，称为下夸克(down)；同位旋为零的则称为奇异夸克(strange)。后来物理学家又发现另外三种夸克，并分别命名为粲夸克（charm）、顶夸克（top）和底夸克（bottom），每个夸克有红、绿、蓝三味。

　　多年以来，物理学家一直根据夸克的制造方式将强子分为两类：由三夸克组成的重子（包括质子和中子）和由夸克-反夸克对组成的介子（如π介子和k介子）。但是这些是唯一可能的组合吗？

　　2003年，日本的研究人员发现了一种奇怪的粒子——X(3872)，似乎是由一个粲夸克、一个反粲夸克和其它两种以上的夸克组成的。在探索粒子是否存在的同时，研究人员还发现了Z(4430)，这明显是一个四夸克粒子。后来，大型强子对撞机还发现了数个证明这些粒子存在的证据，这和已经建立的夸克排列模型相悖，至少有点矛盾。这样的Z粒子是转瞬而逝的，可能在大爆炸后微妙内出现过。

　　未被证实的超对称性

　　大型强子对撞机的通用探测器（图片来源：盖蒂图片社）

　　理论学家提出了超对称性，简称SUSY，用来处理一些标准模型无法得到解答的问题，比如，为什么一些基本粒子有质量？如何将电磁和强弱核力联系在一起？暗物质是有什么组成的？另外，超对称性还在夸克和轻子之间就如何构成物质建立了一定的关系，而玻色子则是它们之间相互作用的媒介。就像前面提到的重子一样，轻子（如电子）属于一种亚原子粒子，称为费米子，和玻色子的量子特性相反。然而，根据超对称性的说法，每个费米子都对应着一个玻色子，反之亦然，每个粒子都可以转化成它对应的粒子。

　　如果这是真的，那么超对称性就意味着两种基本粒子类型（费米子和玻色子）只不过是同一枚硬币的两面。如果让对应的粒子相互抵消，数学中的某些无法控制的无穷量可以消去。另外，标准模型对地心引力的解释也有明显的漏洞，因为费米子和玻色子之间的转换可能涉及到引力子，引力子早期就由物理学家提出作为地心引力的载体。

　　物理学家希望大型强子对撞机能够找到支持超对称性的证据，然后揭示出更深层的问题，这有可能引导新的理论提出，甚至意味着新的实验领域。到目前为止，超对称性在自然界中尚未被观测到。不过，超对称性也有很多版本，每个版本都与特定的假设有关，大型强子对撞机只是选择了形式最优美的版本。

　　协调运动

　　欧洲核子研究中心当天的汤是一种夸克-胶子等离子体。

　　当研究人员校准大型强子对撞机的仪器时，他们一般不进行常用的质子-质子碰撞，而是选择利用质子撞击铅核，这是产生了一个令人吃惊的现象：产生的亚原子碎片通常选用的随机路径被显性协调取代了。

　　对于这种现象，一种理论认为，质子和铅核之间的撞击导致了一种叫做夸克-胶子等离子体（QGP）的奇异状态产生，它像液体一样流动，并在冷却时产生协调粒子。布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratories)和大型强子对撞机都曾经通过碰撞铅和金等重离子产生出夸克-胶子等离子体——黑洞之外最密集的物质形式。如果由质子引导碰撞产生夸克-胶子等离子体被证明是可能的，那么虽然它在大爆炸之后存在的时间很短暂，但是对后来科学家观测大爆炸之后的宇宙状态的影响十分显著。不过现在的问题是：碰撞释放的能量还不足够制作出假设的夸克汤。

　　尽管大多数物理学家都赞成这个观点，但还有部分物理学家持反对意见，还提出了一些解释，在胶子创造的理论场中，粒子作为强作用力的载体，将夸克和反夸克变成质子和中子。他们假设，胶子在接近光速的状态下运动形成了这种理论场，夸克和反夸克在场中相互作用形成质子和中子。如果这个假设成立，这个模型倒是可以为质子结构和相互作用提供有价值的见解。

　　新物理的标志…也许不是

　　大型强子对撞机的数据分析（图片来源：盖蒂图片社）

　　尽管听起来很不合逻辑，但是许多物理学家希望大型强子对撞机能够帮助他们发现标准模型的漏洞之处。毕竟，这个框架确实是存在问题的，也许一两个极为重大的发现便可以证实超对称性，或者至少给出新的研究途径。然而，正如前面所提到的，研究人员在利用大型强子对撞机反复验证标准模型的同时，也对某些奇异的物理现象进行了反复的质疑和打击。当然，结果得来也不是那么容易，还要分析大量的数据。另外，大型强子对撞机还没有完全达到14兆电子伏特(TeV)的能量。这样，标准模型看起来或许并没有很糟糕。

　　如果2013年关于B介子衰变的报告有任何异样的迹象，他们可能已经展开相关研究了，但是这份报告显示B介子衰变为k介子和两个μ介子（类似电子的粒子），这不会引起任何波动，除非衰变的模式没有遵循标准模型。不幸的是，实验条件还没有达到这项研究的要求，尽管如此，研究人员并没有放弃，他们还在坚持做最后的数据分析。如果成功的话，这种奇特的衰变模式可能会导致新的物理研究方向，这也是很多物理学家一直在寻找的。

　　更多信息

　　作者笔记

　　在大型强子对撞机完成后，有些人想知道如果希格斯玻色子没出现，现在的物理学又会有什么变化？这不仅仅是大规模的原子加速器存在的主要原因，也是限制标准模型适用范围的关键。

　　现在还有个更大的问题，涉及到第二代宇宙空间外偏振背景成像（BICEP2）测量的宇宙背景辐射。如果观测结果是正确的，那么希格斯场在大爆炸时应该有足够的能量马上进行大收缩。换句话说，如果这两个观点都成立，那我们就不应该争论为什么它们不可能是真的。

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