物理学已堕入噩梦时代，迷失于“上帝的赌桌”

编者按：今年对于战斗在物理最前线的科学家们可谓是步履维艰的一年。在暗物质探测器无功而返后，近日，人类史上最贵的科研装置之一，欧洲的大型强子对撞机（LHC）的实验结果同样令人失望，并没有让科学家们发现可能的新粒子。

无论爱因斯坦信不信“上帝会掷骰子”，至少人类这两场大手笔的“出千行动”在上帝的赌桌前一无所获。

失败固然是成功之母，但是只有成功才能通向下一个成功，高能物理界的科学家们需要在理论上分析原因，调整参数，然后再次实验，直到有一个定论位置。而在这之前，恐怕要在“噩梦”里煎熬一阵吧。

Quanta Magazine也专门发文详细报道分析了整个事件，带大家走近这些常年和各种不为人知的粒子们玩耍的高能物理学家，看看他们将如何面对这样一个“一无所获”的结果。

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物理学家们正处在“噩梦”一般的尴尬处境：最新的强子碰撞试验的结果是：Nothing New！啥新发现都没有，莫非要被炒鱿鱼？

欧洲大型强子对撞机（LHC）的物理学家们利用前所未有的高能量发起了对自然基本组成的又一次探索。然而，他们的发现是令人震惊的，因为最终的结论是：没有任何新发现！

30年前，人们开始设想这一巨大工程时，一定没有人预料到会有今天这个尴尬的结果。

2015年12月实验数据中显示的、轰动学术界一时的“双光子粒子”在最新的实验中消失了，这也意味着2015年的“明星粒子”并不是人们期待已久的、可能带来物理学变革的新基本粒子，而仅仅是统计波动的结果。

实际上，长期以来主导粒子物理的“标准模型”虽然并不完整，对撞机运行了这么多年也没有找出任何超越标准模型所预测的新粒子。在对撞产生的残骸中，物理学家没有找到暗物质的迹象，没有希格斯玻色子的兄弟姐妹，没有额外维度存在的痕迹，没有轻子夸克。

更重要的是，人们苦苦追寻的超对称粒子也没有出现。这种粒子能够剔除标准模型公式的冗余项，并满足“自然性”，其重要性在于它揭示着我们所在宇宙的运行规律。

“整整30年我们都期待这一天的到来，到头来却发现我们当初的预测没一个是对的，”新泽西州普林斯顿高级研究所的物理学教授尼马·阿尔卡尼 - 哈米德（Nima Arkani-Hamed）说。

大型强子对撞机（LHC）成环形结构，总长度约为27公里。超环面仪器(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)分别坐落在大型强子对撞机的6点钟方向和12点钟方向，是大型强子对撞器所配备的七大粒子探测器中的两台，每台探测器的实验团队都在3000人以上。

最新升级的对撞机系统可以提供将近升级前2倍的能量。它给碰撞的质子提供高达13万亿电子伏特（TeV）的能量，相当于给单个质子自身13000倍的质量。在如此高能量的碰撞下，物体只能以基本粒子的形式存在。

在过去的三个月里，这两只探测器团队日以继夜的分析着对撞机实验得到的海量数据，并于日前在芝加哥举行的国际高能物理大会上发布了这一“毫无新意”的实验结果，引发一片哗然。

截止目前，没有任何新粒子的发现，其中最让人伤心的是“双光子粒子”的消失。过去有超过500篇理论物理学论文预测这一粒子的存在，该“光子对”也一度出现在去年13兆电子伏特的试验结果中。关于双光子粒子在最新实验中消失的消息于今年6月初泄露，进而引发了物理学界的“双光子危机”。

马里兰大学的理论物理学家拉曼（Raman Sundrum）表示：“我们一度相信双光子粒子的出现照亮了粒子物理的未来。然而，一夜之间我们又回到了最初的起点。”

新物理现象的缺失加深了2012年的危机。强子对撞机的第一轮试验中人们就发现，8TeV的能量不会产生任何超出标准模型预测的新物理现象（那一年发现的希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图，而非它的扩展）。

现在仍然有人希望着今年晚些时候，或者明年什么时候就会有新基本粒子的发现来结束这场危机。亦或是随着统计数据的增加，保不准一些已知粒子的细微变化可以从侧面印证新粒子的存在。

然而，越来越多的理论物理学家接受这一次的“噩梦论”，在这一次的强子对撞实验里，我们什么也没发现。

一些理论物理学家坦言，现在已经是整个学界需要对“nothing”做出解释的时候。新基本粒子的缺失一定程度上意味着一直以来我们信以为真的物理学法则可能是不完美的。拉曼说：“人们总是希望用‘自然性’来解释一切，但或许这次的‘自然性’的缺失才是真正的重大发现”。

绳子的那一头是什么？

物理学家们之所以认定现在的标准模型并不完整，是因为极为关键的希格斯玻色子极为不寻常的质量。在标准模型的方程中，希格斯玻色子与很多其它粒子相耦合。这一耦合场赋予了粒子质量，然后粒子的质量反过来作用于希格斯质量的大小，就像拔河比赛中的你来往。

一些“拔河选手”异常强壮，例如有一些假说粒子，如果加上重力的作用，可以产生高达一亿亿兆电子伏特的希格斯质量。

然而这种粒子的质量却只有0.125兆电子伏特。仿佛绳子另一边也有一位异常强大的竞争者，双方始终处于平局。这一现象看起来十分诡异，除非我们能解释为什么竞争的双方总是势均力敌。

图中为加利福尼亚理工学院的玛利亚女士。图片拍摄于欧洲强子对撞机CMC检测器的控制室，她说：“尽管很多人都在讨论‘噩梦说’，对于实验主义着来说，我们不相信宗教，只信事实。”

理论物理学家于19世纪80年代初提出了“超对称理论”来解释上述现象。根据超对称理论，每一个“费米子”，例如电子或夸克等可以增加希格斯质量的粒子，都会有相对应的“玻色子”来抵消希格斯质量的增加。通过这一机制，拔河的竞争者都有一位势均力敌的对手，希格斯立场处于稳定状态。

理论物理学家还提出了别的理论来解释这种平衡，但是超对称理论似乎更胜一筹：该理论下的三种量子力（电磁力、强力和弱力）在高能量下完美匹配，意味着它们在宇宙形成之初是统一的整体。

该理论还暗示着一种惰性稳定物质的存在，其质量正好与暗物质的质量一致。

“我们早就完全解决了这个问题”，CMC检测器成员、加利福尼亚理工学院粒子物理学家玛利亚说：“对于我们这一代人，超对称理论就是标准的教科书式答案。即便它还没有被实验证明，所有人都相信它的存在”。

所以可想而知，当已知粒子的“超对称搭档”迟迟没有出现时人们是多么地惊讶。首先是上世纪90年代的大型正负电子对撞机，之后是90年代及20世纪初的一万亿电子伏加速器，到现如今的强子对撞机。

随着对撞机的能量越来越高，已知粒子和对应假想超对称粒子之间的差距也越来越大，因为后者必须拥有更大的质量来躲避探测系统。最终，超对称机制不再成立，粒子和超对称粒子的希格斯质量无法抵消，超对称理论也就无法解决自然性问题。

一些专家认为，我们早已经跨过了导致超对称理论失效的能量点。另一些对于特定因素设想更为灵活的专家也表示，超对称理论正在失效，因为ATLAS和CMS排除了质量小于1TeV的标量顶夸克，它是质量为0.137TeV的顶夸克的超对称粒子。这已经在顶夸克和标量顶夸克的希格斯拔河中造成6倍的不平衡。即使存在大于1TeV的标量顶夸克，它对希格斯子的作用也过强，超出了该理论可以解决的范畴。

“我觉得1TeV是个可以承受的上限了，”欧洲核子研究组织（CERN）的高级研究科学家、比利时安特卫普大学教授阿尔伯特·德洛克（Albert de Roeck）说。

有人说超对称理论已经够了，但也有些人觉得这一理论还有可以弥补的漏洞。在标准模型数不清的超对称扩展理论中，有更为复杂的情况：重于1TeV的标量顶夸克与其对应超对称粒子一起平衡顶夸克，以此来调节希格斯质量。该理论有很多变形，或是独立的“模型”，因此完全否定它是几乎不可能的。

加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家乔·英坎德拉（Joe Incandela）在2012年代表CMS宣布了希格斯玻色子的发现。他说：“如果你看到了什么，你可以直接告诉别人你看到了，不需要想什么模型去解释。但是如果什么也没看到，情况就变的复杂很多。”

粒子总是隐藏在各种边边角角。例如，如果标量顶夸克和最轻的超中微子（超对称理论中的暗物质候选者）恰好有接近相同的质量，它们可能至今还隐藏着。这是因为当撞击产生一个标量顶夸克并衰变出一个超中微子时，只有极小的能量会以动能的形式释放。

“当标量顶夸克衰变时，即使暗物质粒子就在那里，你也看不到它，”ATLAS成员，纽约大学的凯尔·克莱默（KyleCranmer）解释到。 在那种情况下，质量小至0.6TeV的标量顶夸克仍有可能隐藏在数不清的数据中。

实验学家在未来会努力排除这些漏洞，或挖掘隐藏粒子。同时，理论物理学家也做好了在没有路标的自然界继续前行的准备。“一切都很混沌，充满了不确定性，”阿尔卡尼-哈米德说。

新的希望

许多粒子理论学家开始认同一种有点“玄乎”的可能性：希格斯玻色子的质量本身就是非自然性的——它的小质量是宇宙拔河游戏中产生的偶然结果，正好抵消了它的巨大能量。我们之所以观察到这种奇特现象，是因为我们所生活的宇宙是建立在这种机制上的。

按照这种说法，除了我们现在的宇宙之外，还有许多许多宇宙，每一个宇宙都有随机的参数设置。我们恰好生活在了小质量希格斯玻色子的宇宙中，也正因为如此才可以形成原子，孕育生命。

不过，这种“玄乎”的解释显然不被很多人追捧，因为我们没办法验证它的正确与否。

尼马·阿尔卡尼 -哈米德是新泽西州普林斯顿高级研究所的物理学教授，他正在与同事讨论理论物理学问题。

过去两年里，一些理论物理学家开始为希格斯子质量寻求新的自然性解释。他们希望能避免玄乎而不可验证的假说，又不需要依赖LHC试验中出现新粒子。

近日，在欧洲核子研究组织，当实验学家们仍旧忙于分析各类数据时，他们的理论学家同事们正在召开一场研讨会来探讨一些仍处在萌芽期的新思路以及可能的验证方法。例如，“松弛假说”（relaxion hypothesis）认为希格斯质量不是由对称形成的，而是从宇宙诞生初期便一直动态变化形成了今天的样子。

加州大学圣塔芭芭拉分校的纳撒尼尔·克雷格（Nathaniel Craig）从事“中性自然性”（neutral naturalness）的研究。他在CERN研讨会接受电话采访时说道：“既然大家都度过了双光子危机，现在是时候回归到那些解决LHC新物理现象缺失的问题上来了。”

阿尔卡尼-哈米德和几位同事最近提出了一种名为“N自然性”（Nnaturalness）的新理论，他说，“许多理论学家，包括我在内，都感到我们处在一个特殊的时期，我们所面对的不仅仅是下一个可能出现的新粒子的细枝末节，而是真正的宏观的、结构性的问题。我们非常幸运生活在这样一个时代，即使我们有生之年可能不会实现什么重大突破。”

当理论学家回归到他们的黑板上时，CMS和ATLAS的6000多名实验学家正在为向未知领域的探索而欢欣鼓舞。“什么是噩梦？”，斯皮罗普卢在提到理论学家对“噩梦论”的恐慌时说：“我们在探索自然。有这么多的数据要处理，每天兴奋而忙碌着，我们可没有时间去考虑这样那样的噩梦。”

新物理仍有可能出现。但是在斯皮罗普卢看来，没有发现也是一种发现，尤其当它宣告了一项多年来备受追捧的理论的死亡。“实验物理学家们没有宗教，”她说。

一些理论物理学家也同意，现在就讨论失望还为时过早。阿尔卡尼-哈米德说：“这就是自然，我们不断探索未知，寻求答案！6000多人正忙得四脚朝天，你还有理由像个小孩一样，没得到想要的棒棒糖就要撅噘嘴么？”

参考：Quanta Magazine

编辑：梁博深

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