ZT: 粒子物理学：打破标准模型的竞赛

夏凉 · 发表于 2010-1-29 07:03:05

粒子物理学：打破标准模型的竞赛
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在基础物理学中有一个非常成功的理论，它叫“标准模型”，但科学家却觉得它的成功令人沮丧，而且还要想方设法击败它，创造一个超越它的基础物理学理论。大型强子对撞机就是最近的尝试之一，但它并非击败标准模型的不二法门。Geoff Brumfiel 对每个尝试在对撞机全速运行之前摘取大奖的竞争者进行了一番调查，让我们跟去看看吧！

它威力强大，它令人生厌，它注定灭亡，这就是物理学家眼中的“标准模型”。它是一台由方程组成的数学机器，描述了所有已知的物质结构，从原子到星系无一漏网。它描述了自然中四种基本相互作用之中的三种：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。它以前所未有的精确度预测了一个又一个实验的结果。尽管威力如此巨大，它还远未完善。它的数学结构非常随意，其中还穿插了很多不严格的常数，但最困扰科学家们的是它一次又一次地击败了向它引入最后一种基本相互作用——引力——的所有尝试。

所以，自从二十世纪七十年代标准模型建立之后，物理学家们就一直在尝试超越它。实际上，他们必须用与它那些近乎完美的方程预言的结果相反的实验数据来推翻它，然后再从废墟上重新建造一个更新更好的理论。坐落在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）内的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）正是推翻这个模型的最新尝试，也是许多人认为最可能成功的。它供应的巨大能量将会使粒子加速到标准模型力所不达的领域。在打破僵局的竞赛中，“到目前为止，LHC 是最受欢迎的”，Frank Wilcezk 说。他是麻省理工学院的理论物理学家，是 2004 年诺贝尔物理学奖的得主之一，他和其他两位得奖者的获奖工作就是标准模型的理论基础之一——描述强相互作用力的量子色动力学。

但 LHC 并不是这场游戏的唯一玩家。几十年来，物理学家一直在通过各种途径寻求超越标准模型的方法：有的寄希望于粒子加速器；有的寄希望于对罕见事件的精细测量；有的还寄希望于太空观察得到的结果。在 LHC 全速运转之前——它的第一份实验结果至少要到明年夏天才能出来（请参看“势不可挡的对撞机”一节）——其中一些研究团队认为他们还可以为胜利放手一搏。他们的任务相当艰巨：标准模型可是相当难以对付的，它已经成功抵挡住了所有简单明显的攻击。要想打败它，科学家们需要前所未有的精确实验，大量的实验数据，还要加上不少的运气。下面我们来看一下这些跃跃欲试的物理英雄吧！

Tevatron

在 LHC 全速运转之前，世界上另一个重量级的粒子加速器已经在全力奔跑，争取打破标准模型了。自 2001 年以来，坐落在美国伊利诺斯州费米实验室的 Tevatron 就不停将质子和反质子加速到万亿电子伏特的对撞能级了。

这只是 LHC 最高对撞能量的七分之一，但在探求新物理的过程中，对撞能量并不代表一切。能创造出标准模型以外的粒子的碰撞事件非常罕见，所以加速器运行时间越长，积累的数据越丰富，它就越有机会作出新的发现。因此，至少在将来的一段时间里，Tevatron 还能继续在数据积累方面领先于 LHC。即使是在 2009 年夏天，Tevatron 在数据上也还会超过它的新竞争者好几倍。

而现有的这些数据似乎提示我们，一些超出标准模型的东西已经出现了。这种提示虽然诱人，但仍不确切。与标准模型不符的结果之一就是对奇异 B
介子（Bs）的测量。奇异 B 介子是由一个奇异夸克和一个反底夸克组成的，在介子的世界中算是非常重量级的了。根据电荷-宇称对称性，标准模型预言奇异 B 介子和它的反粒子（由一个反奇异夸克和一个底夸克组成）的衰变路径相同。但测量结果提示我们，它们俩的衰变路径有些差异。据 Tevatron D-Zero 实验的发言人 Dmitri Denisov 所言，这种差异在将来的探索中可能会成为一条重要的线索，可能意味着存在未知的粒子或者法则。无论如何，“这是一项激动人心的测量实验”，Denisov 说。

而据
Tevatron 的另一个主要实验——对撞探测器（CDF）——的发言人 Robert Roser 补充，其实奇异 B 介子反常并不是加速器中出现的唯一奇怪现象。顶夸克-反顶夸克对衰变的过程中出现的一些特征也迷住了他，但他也承认这个结果远未被确认。然而，以后我们可能会发现这些反常信号的重要性，Roser 说，“如果你不断积累数据，（这些可能的反常情况）其中之一可能会变成事实。”

但 CERN 的一位理论物理学家 John Ellis 对此持怀疑态度。据 Ellis 所言，不错，Tevatron 也许能给出一些诱人的提示，但在 LHC 重装上阵之前它看起来不会作出什么决定性的发现。他指出，在粒子物理学的世界中，在测量精确度达到小于 5σ（5个标准误差，相当于 99.99994267% 的精确度）之前，任何结果都不能被称为“发现”。要达到这样的测量精度，我们需要的数据远比 Tevatron 目前累积的要多，这个目标在它的新对手超过它之前恐怕难以达到。“我认为这对于 Tevatron 来说是非常非常困难的，”Ellis 说，“我认为他们不可能在 LHC 开始扫荡之前到达目标。”

宇宙

当高能物理学家们集中在他们的机器的控制室里时，另一群物理学家正在仰望星际。他们希望在那里能找到打败标准模型的武器——如果宇宙肯配合的话。

他们的航天器主要寻找的目标是暗物质存在的证据。暗物质是一种无法捉摸却可能占据宇宙中高达 85% 质量的物质，只有通过它对星系的引力作用和对宇宙形状的影响，天文学家们才能知道暗物质的存在，除此之外它与组成恒星、行星和我们人类的普通物质几乎没有其它任何相互作用。据推测，暗物质可能是由那些很少甚至从不与普通粒子发生相互作用的粒子组成的一片云雾。没人知道那些粒子会是什么，但它们肯定不在标准模型内。
（译注：经 QueenKerene同学指出，除了暗物质之外宇宙中还有暗能量。暗能量换算后所占宇宙质能比例大约是70%，但如果不计算暗能量的话文章的说法是成立的。）

暗物质候选者之一来自所谓的“超对称”理论，这个理论预言标准模型中的每种粒子在标准模型外都有一个较重的“超对称伙伴”。在这些超对称伙伴粒子中最轻的是中性伴随子（neutralino），而超对称理论预言它的性质正好与暗物质相同。

我们不能通过天文望远镜或者轨道卫星等方式直接看到中性伴随子本身，但偶尔会有两个中性伴随子会相互碰撞然后湮灭，这时它们会产生一簇普通粒子，而轨道探测器正好可以探测这种粒子簇。PAMELA（Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics，物质反物质探索与轻核天体物理研究有效载荷）项目已经发现了一条有趣的线索。装载在卫星上的仪器已经非正式地报告了正电子的过剩，这些正电子可能是暗物质湮灭时被制造出来的（参见 Nature 454, 808; 2008）。“这是个漂亮的结果，”看过 PAMELA 数据的 Graciela Gelmini 说，她是加州大学洛杉矶分校的物理学家。但她补充强调，由于测量的复杂性，我们必须多留个心眼。

而最近发射的另一个卫星或许也能探测到中性伴随子匆匆湮灭时发出的一些信号。价值 6.9 亿美元的费米γ射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope，原名 GLAST）是一个用于全天探测超高能光子的太空设备，而这些超高能的γ射线有可能是由中性伴随子湮灭产生的，在这种情况下我们会在这个轨道探测器的天图上看到一片无处不在的云雾。“这将会是一个非常、非常惊人的特征信号，”项目科学家 Steven Ritz 说，他在马里兰州 Greenbelt 隶属于 NASA 的 Goddard 空间飞行中心工作。

据伊利诺依州芝加哥大学的宇宙学家 Michael Turner 说，如果这样的特征信号能及时被识别和确认的话，它就有机会在打破标准模型的竞赛中打败 LHC。但他也指出，尽管天体物理学在学术上可能会是第一个作出如此发现的领域，但它能做的也就只能是这些了。正电子、γ射线和其它的特征信号只能粗略地给出新粒子质量的可能范围，但对于超对称理论却什么贡献都做不了。正因为这样，“很多问题将会仍然存疑”，Ritz 说，而这些问题要等 LHC 来解决

势不可挡的对撞机

就像《自然》杂志之前强调的那样，在日内瓦附近位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）将要开始运转了。但在这台机器产出可以正式发表的科学发现之前，科学家们还有很多工作要做。在接下来的几个月，在操作员微调对撞机主体时，其他科学家也要让分布在粒子加速环旁边的实验仪器正常运行。

LHC 会在它的第一次运行中就发现物理学上的新东西吗？有可能。这台对撞机的最高对撞能量是 Tevatron 的大约 7 倍，而后者是现今对撞能量最高的粒子加速器。这是一个飞跃，所以原则上来讲我们几乎能在正式运行时立刻看到新的粒子，Virdee 说，“你不需要多少数据就能超越费米实验室探索的前沿。”

费米实验室的物理学家们对这种看法持怀疑态度，这也是人之常情。据费米实验室对撞探测器的发言人 Robert Roser 所说，在 Tevatron 工作的物理学家用了两年时间才完整领会到他们实验的特性。而据费米实验室 D-Zero 实验的发言人 Dmitri Denisov 所言，即使拥有更高的对撞能量，LHC 仍需要进行数量相当大的碰撞才能找到一些新东西。“在一个探测器中仅仅让两个质子对撞是不够的，”他说。

黑暗

别的物理学家选择了黑暗而非光明。在那些废弃矿井和交通隧道中，他们照看着他们洞穴里的高灵敏度探测器，这些探测器也许可以找到直接指向暗物质的证据，当中包括超对称理论中的中性伴随子（参看 Nature 448, 240; 2007）。

现在有好几种设计这种探测器的不同方案，但它们都遵循着同一个基本理念：拿一些你认为可能与暗物质发生相互作用的物质，将它埋到地底来阻断宇宙射线等干扰因素，然后等待不寻常的事件。“这就像在看着青草生长，”Wilczek 说。

尽管这不是打败 LHC 的方法中最刺激的，但这些探测器取得的进展令人印象深刻。其中一个实验项目是 CDMS II（Cryogenic Dark Matter Search II，低温暗物质搜索二代），它位于美国明尼苏达州的苏丹矿井下，正在不停收集着数据。它的运行者打算在年底前将它的灵敏度提升三倍。另一个位于意大利大萨索山一条隧道中，名为 XENON100 的实验项目同样也有机会比 LHC 更快得到初步的结果。“这个领域成长得很快，竞争也很激烈，所以现在要在这里立稳脚跟不是件容易的事，”XENON100 的项目科学家 Elena Aprile 说，她在纽约哥伦比亚大学工作，“这是个美妙的时代。”

而处于所有这些期待的顶端的是一个研究团队声称他们已经在他们的探测器中看到了暗物质。在今年早些时候，同样位于大萨索山国家实验室的实验项目 DAMA/LIBRA（Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes，碘化钠晶体暗物质搜索）的研究者宣告他们在项目的新一代探测器中看到了暗物质的信号（Nature 452, 918; 2008）。但据实验仪器与其处于同一穹顶下的 Aprile 说，其他团队都被他们的发现难住了，现在还没有人能够确认这个信号，实际上，他们的结果似乎与其他团队的相互矛盾。“我们的结果远非一致，”她说。

尽管这些探测器正在跳跃式发展，它们也有死穴：它们探测的前提是暗物质与普通物质有相互作用，尽管这种相互作用可能极其罕见。据 Ellis 说，这个前提不一定成立。对于他来说，这些实验就像“在黑暗中射击”。

但 Ellis 也承认，这些黑暗中的搜索也有可能比 LHC 更早发现些新东西。“我觉得这帮找暗物质的人就像扑克牌里边的大王一样难以捉摸，”他说。

中微子是一族名为“轻子”的基本粒子的中性伙伴，平常我们熟悉的电子也属于轻子（译注：轻子有三种，分别是电子、μ子和τ子，它们分别有对应的中微子伙伴，所以共有三种中微子）。标准模型的原始版本预言中微子的质量为零，但实验物理学家们怀疑事实上并不是这样，因为每年他们探测到的来自太阳的中微子数量远少于理论预测。对于这种数量上的缺失，有一种可能的理论解释就是太阳发出的中微子可以在路上变来变去，从一种中微子变成另一种中微子，但只有在中微子有质量的情况下这种振荡才能实现。在 1998 年，中微子的这种振荡被位于日本岐阜县的超级神冈探测器抓了个正着，这个实验结果是对标准模型的第一个证据确凿的挑战，但也是目前为止唯一的一个。

但很不走运的是，据 Ellis 所言，标准模型只要对它的方程稍作修改就可以容忍中微子拥有质量了。“我们比较容易就能加点什么东西进去（标准模型），”他说。这样的话，尽管中微子研究者按理说已经撼动了标准模型，但他们的发现对正在探求新物理模型的理论物理学家们并无助益。

但中微子的故事并没有就此完结。来自美国、欧洲和日本的几个实验团队都在向他们的探测器发射中微子束，试图搞清楚中微子是如何振荡的。据哈佛大学的理论物理学家 Lisa Randall 所说，中微子振荡的精确细节可以帮助他们检验新理论模型的可行性。

另外，还有两个新的探测器能在这条道路上走得更远。一个来自欧洲的合作项目在靠近法国土伦的地中海海底布置了一个名为 ANTARES （Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research，中微子望远镜天文学与深空环境研究，缩写意为“心宿二”）的中微子探测器，而来自美国的另一个团队正在南极洲的冰川下安装一个名为 IceCube 的探测器。这两个探测器的设计思想是相同的：通过一串串的小型探测器来捕捉高能中微子冲击水或者冰的痕迹。ANTARES 在今年夏天早些时候就已经安装完毕，而 IceCube 的 70 串探测器才安装了大概一半。但据 IceCube 的首席科学家，工作在威斯康星大学的 Francis Halzen 说，现在 IceCube 的灵敏度已经是超级神冈探测器的五倍了。“我们能作出新发现并不是不可思议的，”他说。

但是我们还不知道他们可能发现些什么，有可能是被困在太阳核心的暗物质粒子产生的中微子。但 Halzen 补充说，探测中微子实验发现的东西都需要 LHC 进一步跟进。“我认为这些（中微子探测项目）只是补充性的实验，”他说，“但如果有机会的话，我倒是更希望是第一个看到新东西的人。”

成功在望？

这样的话，这些项目能否击溃标准模型呢？Wilczek 对此持怀疑态度。“我还没有激动得坐不住，”他说，如果我们看看以往的记录的话，似乎“标准模型每次都坚持住了”。他相信只有 LHC 才真正拥有打破现有格局的机会。

但是我们也不能保证这个巨型对撞机一定能做出新的发现。“我们可能在 2009 年年中就观察到超对称现象，但它也可能永远不会出现，”Ellis 说，如果真的永远看不到超对称现象的话，物理学家们面对的会是“想象中最恐怖的场景”。“（这样的话）我们接下来能干什么呢？”他问道。

但 Turner 的看法恰恰相反。这些实验和 LHC 终究是在并肩作战。他确信只要将他们的实验数据与 LHC 的结合起来，物理学家们就能击败标准模型，也会给物理学开创一个新天地。“我们站在一个重要物理学革新的边沿。”他说。

Geoff Brumfiel 是《自然》杂志在伦敦的高级记者。

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