新粒子与新物理学

2016-04-01 09:58苗千
三联生活周刊 2016年14期
关键词:玻色子核子对撞机

苗千

引力波的发现又一次验证了广义相对论,这个世纪级的发现固然令宇宙学家感到安稳,而另一方面,物理学家们又急于突破一个世纪以来广义相对论和量子理论的约束。

如今物理学并不缺少各式各样的理论,缺少的是实验证实。在宇宙空间,在地表,在地下,实验物理学家们一次次地验证着早已成型且完整的理论,这让很多人感到束缚,甚至是绝望。正是因为如此,2015年12月15日,从欧洲核子中心(CERN)传出的消息已经开始让很多人兴奋不已——尽管这则消息还远算不上是一个新发现,但已经让物理学家看到了新物理学的希望。

2015年12月,欧洲核子中心大型强子对撞机(LHC)两个不同的探测器ATLAS和CMS分别探测到了一个此前没有人预料到的信号,物理学家们观测到了比理论计算结果更多的高能量光子。实际上,这个信号并不算非常明显:两束以接近光速运行的质子相撞,ATLAS探测器发现,在质子对撞产生的残余中,相比于根据标准模型的计算,多出了40对高能量光子。物理学家们估计,这些在质子对撞过程中产生的“多出来”的高能量光子,可能是由一种人们还没有发现过的粒子衰变而成,重要的是,这种尚未被验证的不带电粒子比此前发现的希格斯玻色子更重,是顶夸克质量的4倍多,目前也没有任何理论框架可以把这种粒子囊括其中。引力,加上标准模型所描述的三种基本作用是人类目前认识到的四种基本相互作用,可以解释目前所观测到的大部分物理现象,但是如果存在一种任何物理模型都无法描述的粒子——有些物理学家已经急不可耐地要开始探索“第五种”相互作用了——如果这种粒子真的存在的话。

根据欧洲核子中心CMS实验项目的一位物理学家统计,自从2015年12月传出了可能存在一种新粒子的消息之后,目前已经有285篇相关论文发表在网络上,声明可以解释这种粒子的存在,理论物理学家对于新理论的渴求程度可见一斑。问题在于,目前实验物理学家们只是发现了一些高能量的光子,新粒子的存在只是一种尚未被确认的可能性而已,与被确定是一个粒子物理学的“发现”还有很大的距离。

伦敦大学国王学院的物理学家约翰·埃利斯(John Ellis)认为,正是因为没有人曾经预测过这个信号的存在,它才让人感到如此激动,而且这可能只是揭示出了一种新的物质形式的冰山一角。这种粒子可能类似于希格斯玻色子,但是它的质量是希格斯玻色子的6倍。

CMS合作项目是在寻找引力子的过程中发现了这个不同寻常的信号,物理学家们分析,这个信号来自引力子的可能性不大,但是种种迹象显示,这个粒子可能是一个自旋为2的玻色子。人类上一次观测到基本粒子的行为不符合标准模型的描述还是观测到中微子振荡现象时,物理学家不得不对标准模型进行修改,使中微子可以具有质量。目前根据信号显示可能存在的粒子,质量远大于希格斯玻色子(希格斯玻色子的质量大约为125千亿电子伏),它有可能是希格斯玻色子的“表亲”。不仅如此,一旦确认这种粒子确实存在,那么很有可能它并不是作为一个特例单独存在,很可能还有与它相似的一类粒子也将被相继发现,届时该如何把这些粒子纳入一个统一的系统内,标准模型应该如何修改,自然界中到底是否存在着第五种相互作用,都会是理论物理学家和实验物理学家长期关注的课题。

相比三个多月以前,现在这个引人注意的信号是来自一个尚未为人所知的粒子的可能性更大了一些。2016年3月17日在意大利拉特乌伊莱举行的一次物理学会议上,科学家们对于欧洲核子中心的对撞数据进行了新的分析,这次的数据比去年12月进行分析的数据多出22%,结果显示,新粒子存在的可能性从1.2 Sigma上升到了1.6 Sigma,但是距离正式成为一个粒子物理学发现的5 Sigma的标准仍然很遥远(5 Sigma相当于这个粒子有99.99997%的概率真实存在)。

幸运的是科学家们不必为此等待太久。大型强子对撞机在去年冬天休眠了一段时间之后,将在2016年4月重新开始进行更高能量的粒子对撞实验,物理学家们将很快就可以获得最新的粒子对撞实验数据,在今年6月,最迟不超过今年8月,分析结果将会正式确认或否认这种奇异粒子的存在。除了欧洲核子中心的大型强子对撞机之外,其他实验室也会进行质子对撞实验——如果这种奇异的粒子真实存在,那么它们除了衰变成两个总能量为750千亿电子伏的光子对之外,还有可能衰变成其他物质。

一旦这个粒子的存在被证实,将是自上世纪70年代发现tau轻子以及夸克以来粒子物理学取得的最大突破。只有对数据反复加以验证才能确定这种粒子是否存在。2015年,在大型强子对撞机内部总共进行了超过20万亿次的质子对撞,物理学家的工作量可想而知。而在2016年,必将有更多的质子在粒子对撞机内进行碰撞以提供更多的数据进行分析。

从建立标准模型到通过实验发现其中所有的基本粒子,人类花了50年的时间来完成这个迄今为止最成功的描述微观世界的理论框架,其顶点正是在2012年发现希格斯玻色子。如今几年过去,粒子物理学家们早已不再满足于标准模型的束缚,人们已经做好准备发现标准模型之外的粒子,因为标准模型无法解释人们观察到的所有现象,暗物质,暗能量,包括为什么目前观测到的物质远多于反物质,答案都在标准模型之外。

理论上说,人类的一些理论框架可以囊括目前所有的自然现象,正是因为如此,其中最引人瞩目的超对称理论在几十年来一直被寄予厚望。超对称理论预测了比目前观测到的粒子更重的一组“超粒子”,但是随着大型强子对撞机对撞能量的不断提升,已经开始逼近超对称理论所预测的超粒子的能量范围,但超粒子始终未曾出现,一些研究超对称的理论物理学家们很可能不得不放弃这个优美的理论。此时,一个神秘粒子的出现也就显得更加重要——在它的存在和身份尚未确定之际,人们难免不浮想联翩:这个尚未被确定的粒子是否与暗能量、暗物质相关,是否揭示了宇宙中更多的维度,它又将把理论物理学家们引向何方?

欧洲核子中心大型强子对撞机ATLAS探测器

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