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大型强子对撞机探索宇宙新幽灵粒子

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发表于 2016-11-8 22:53:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
  别再希格斯子和引力波了——大型强子对撞机也许即将揭开大自然如何运转的新篇章。
  如果它确实为真,那将会是吉安·朱迪切(Gian Giudice)在其整个科学生涯中所一直在等待的。作为一名工作在欧洲核子研究中心的理论粒子物理学家,他说:“我们谈论的并不是去验证一个既有的理论,而是打开一扇进入另一个未知世界的大门。”

  当然,前提是它真有其事。目前,我们有的还只是从大型强子对撞机中碰撞碎片所给出的线索。但是,如果这些线索在今后的几周和几个月的时间里逐渐增强的话,那就有可能是一个重磅炸弹。忘了希格斯子,也忘了引力波吧,它也许会成为2016年最重大的发现,为大自然的运转方式揭开新的篇章。
  这个希望分别来自大型强子对撞机的2个探测器——超环面仪器(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)——的最新数据。它们各自独立地指出,似乎存在一种粒子,它的质量甚至可以让2012年7月所发现的希格斯玻色子都相形见绌。

  希格斯粒子是一个里程碑,但也标志着前进道路的终点。它是粒子物理学标准模型所预言的粒子中最后一个被发现的粒子。迄今,标准模型的复杂方程可以在极高的精度上解释每一个实验结果,解释了自然界3种基本作用力——电磁力、弱核力和强核力——的工作机制。但也显而易见地,标准模型并不完整。它无法囊括自然界的第4种力——引力,也无法解释为什么希格斯粒子和其他的16种粒子具有它们的这些特性,更不用提解释主宰宇宙物质成分的暗物质了。



  要超越标准模型,就需要找到一些全新的东西。


  因此,大型强子对撞机2015年数据中所隐藏的线索不禁让人兴奋,而这是它在设计的最大能标上工作的第一年。英国伦敦国王学院的理论家约翰·埃利斯(John Ellis)说,自从2011年意大利物理学家命途多舛地宣布中微子超光速以来,他还没有见过类似的东西。


  中微子超光速最终被证明是错误地连接实验设备光缆所致。这样的差错不太可能出现在大型强子对撞机身上,但被尚无定论的数据无情地戏弄却是科学家们所必须提防的。
  通过筛查质子碰撞所产生的碎片,以此来确定是否有任何意想不到的事情发生是一项及其复杂而琐碎的工作。只要在很长一段时间里很努力地去研究数据,你很有可能会看到你想要的结果。但是,只有重复观测到同一件事情很多次才能确定它的真实性。

  抛3次硬币,结果都是正面朝上,你会把它归于概率。连续抛5次都是如此,你可能会开始怀疑这枚硬币是不是被做过手脚。要正式宣布一项发现,粒子物理学家的“黄金标准”是这一现象为巧合的概率不得超过1/3,500,000,这个值位于你抛硬币连续21次和连续22次正面朝上之间。

  大型强子对撞机所发现的异常还没有到达这个地步。这个异常出现在能产生出两个高能光子的碰撞中。这种碰撞一般很少会产生高能光子,原因纯粹是因为这会消耗更多的能量。事实上,随着能量的升高,ATLAS和CMS也确实看到由其他已知过程所产生的“背景”事件的数目在下降。

大型强子对撞机探索宇宙新幽灵粒子

大型强子对撞机探索宇宙新幽灵粒子

  [图片说明]:由计算机绘制的大型强子对撞机CMS探测器中质子-质子碰撞所产生的粒子碎片轨迹图。左下和右上的绿色直线为发射出的双光子。版权:Thomas McCauley/CERN/CMS。


  但当产生的两个光子的总能量达到750个GeV(1GeV=十亿电子伏特)时,这两个探测器发现事件数有微微的上扬。这暗示了什么东西。粒子都有质量,当它们衰变时,其质量被转换成衰变产物的质量和能量。发现总能量750个GeV的双光子数目过多意味着,它们是一种未知粒子的衰变产物,该粒子的质量与这个能量相当。
  衰变成两个光子是非常“干净”的过程——光子比其他粒子更易于探测,而且预期的背景事件率是已知的。在125个GeV处出现的类似轻微上扬被证明是希格斯子暗示其存在的第一条线索。这一最新的异常将代表着迄今仍有待发现的质量最大的粒子,粗略地估算其质量是希格斯子的6倍,是铅原子的几乎4倍。

  这个信号与希格斯子在被确认发现之前6个月所出现的异常极其相似。虽然现在还几乎无法计算出一个确切的数字,但综合ATLAS和CMS在2015年12月公布的最新结果,这一异常是统计涨落的概率约为几百分之一。这相当于连续抛硬币9次或10次都是正面,虽然足以起疑,但还欠说服力。

  即便如此,星星之火已经燎原。就在ATLAS和CMS公布这一异常之后不到1周,理论家们就在arXiv服务器发布了100多个可能的解释,这个数字至今仍在暴增。在arXiv上,物理学家可以在正式发表前发布自己的论文和数据。


  第五种作用力?


  美国加州大学伯克利分校的野村保教(Yasunori Nomura)是最早的一批。
  “一般我是不会盯上类似的异常现象的,因为它们绝大多数其实乱七八糟,但这一个却相对干净,”他说,“一定程度上,我们有点绝望,因为我们有很多的问题需要解决,但却没有数据。”

  关于这个假想中的粒子,已经知道了一些事情。它不带电荷,其自旋——量子力学特性——的范围也受到了限定。光子的自旋为1,任何衰变成2个光子的粒子其自旋不可能为1。此外,它必定还具有整数自旋。因此该粒子的自旋可能为2。于是,一些理论家认为,它可能是一种引力子——一种假想的传递引力的粒子,其自旋为2。这将会是超越标准模型把引力与其他作用力统一到一起的第一条线索。

  或者,和希格斯子一样,该粒子的自旋为0。事实上,另一种理论认为它是另一种质量更大的希格斯子。
  但是,野村保教的分析显示,如果它的自旋确实为0,那它就不会是一种基本粒子:如果它是的话,量子力学变幻莫测的奇特行为会在它周围的真空中产生出大量其他短命的基本粒子,使得它的质量飙升到远远高于现在的数值。


  相反,野村保教认为,它是一种复合粒子,类似于原子核内的质子和中子。它们是被强核力束缚在一起的夸克。另一方面,这个神秘粒子将是与仅在高能下才会发生的全新第5种基本作用力有关的第一个粒子。

  这听起来有些牵强,但历史却总是不断地反复上演。在20世纪50和60年代,发现粒子是由夸克组成的使得物理学家提出了强核力。野村保教及其合作者对这个想法进行了几个测试,每一次它都经受住了考验。

  其他的一些理论家对于他们钟爱的理论也会做同样的褒奖。因此,埃利斯敦促大家保持谨慎。他说,考虑到我们的无知程度,这一粒子是基本还是复合的目前都可能,“我们能排除掉的情况不是很多。该粒子自旋允许的范围也还是很大的。”

  奇怪的是,大概唯一可以排除的恰恰是许多粒子理论家所期望的——超对称粒子。超对称理论提出,标准模型中每一种已知的粒子都存在一个质量更大的伙伴粒子。大型强子对撞机至今还没有发现任何有关超对称的证据。即便是这个我们所知甚少的最新粒子,它也不对应于最简单超对称模型中的任何东西。

大型强子对撞机探索宇宙新幽灵粒子

大型强子对撞机探索宇宙新幽灵粒子

  [图片说明]:根据大型强子对撞机ATLAS探测器的测量结果,双光子事件的数目随着粒子碰撞能量的增加确实在减小。但是,在750个GeV处,事件数存在一个轻微的上扬。。版权:CERN/ATLAS。


  更奇特的是,质量如此之大的粒子应该衰变成两个几乎一样的光子,即把它的质能对半开,但却丝毫没有这些迹象。埃利斯说:“如果事情真是这样,这背后肯定还有其他原因。这会进一步要求有新的粒子存在。”

  对于朱迪切来说,没有现成的理论模型能够解释这一粒子的特性,倒是让一切都变得更加耐人寻味。他说:“这才是故事里最精彩的部分。”他自己的直觉赞同野村保教的观点,即该粒子预示还存在着一系列通过未知第5种基本作用力来发生相互作用的粒子。如果是这样的话,随着ATLAS和CMS数据的累积,在更大的质量上,我们应该会看到更多这样事件。
  这还不是唯一的惊喜。在另一个探测装置LHCb中,也看到一些异常现象,暗示可能存在未知的粒子,尽管这两个发现之间的关系目前仍不清楚(见插页“更大的图景”)。

  对于CMS的实验物理学家吉姆·奥尔森(Jim Olsen)来说,获得更多的数据是首要任务。虽然试图保持冷静的头脑,但他也同样感到兴奋。如果ATLAS和CMS所发现的异常在大型强子对撞机2016年春所进行的高能粒子对撞实验中继续出现,那么它“绝对是件大事”,他说,“这是一个完全新的粒子,也是存在于标准模型之外的第一种粒子。”

  又或许,就像之前常常发生的那样,所有的这些希望都会破灭。类似的事情最近一次发生在2014年,当时在CMS和ATLAS的数据中发现,会产生粒子喷流的低能碰撞中存在可能的异常。它暗示存在一种质量约为2,000个GeV的粒子,其统计置信度也和现在的新异常相当。

  理论物理学家们紧接着就提出了各种解释,其中最流行的是一种传递新作用力的粒子,然而在对2015年的数据进行分析之后,一切都销声匿迹了。
  “统计总是会和我们玩游戏,所以我只能等待更多的数据,”CMS的物理学家帕特里克·雅诺(Patrick Janot)说, “当物理学家在大型强子对撞机的数据中寻找各种各样现象的时候,总能找到不少类似的异常。”ATLAS的物理学家也强调了相同的观点。为了寻找某些信号,对ATLAS的数据分析总能在其背景信号中发现一些纯统计上的波动。

  是立还是破也许很快就会见分晓。2015年,大型强子对撞机并没有如预期地产出大量数据,CMS探测器中用来弯曲粒子路劲的巨型磁铁存在问题,这也导致并非所有的数据都可以利用。如果在数据分析中能够考虑到磁铁缺失的问题,那么结果也许会更加清晰。否则,我们只能耐心的等到2016年的夏天,届时从2016年4月起开始的对撞实验才会发布第一批数据。

  粒子物理学家都希望2016年会带他们回到令人无比兴奋的20世纪60年代,当时我们对物质组成的认识因夸克和强核力的发现而发生了翻天覆地的改变。不过,当务之急还是要完成收集更多数据这一艰巨的任务,平衡事实和做出发现之间的冲动。在一个大城市中,在你遇到一个熟人时,可能会惊讶于这一巧合;但却忘记了在其他99次的时间里,你谁也没遇到。人类的头脑总是倾向于寻找现象背后的原因,即使有可能本根就没有。不过,与此同时你也会感到兴奋,否则科学就无法向前推进了。


  更大的图景


  在大型强子对撞机直径27千米的地下圆环周围,除了ATLAS和CMS探测器之外,还有另一个实验装置,被称为LHCb。不同于通过测量衰变产物来搜寻新粒子的前两个探测器,LHCb的任务是对被称为B介子的复合粒子的衰变进行精确地测量,进而与粒子物理学标准模型的预言进行比较。

  该实验已经发现了一些两者存在偏差的线索。其中一个与B介子分解成较轻的K介子和一对μ介子的速率有关。其他的则与B介子衰变成电子、μ介子和τ轻子的速率有关。标准模型认为所有这些衰变的速率都应该是相同的,但LHCb的测量结果似乎与标准模型的预言存在偏差,虽然其统计置信度一直在变化。

  目前还不足以下任何的结论。粒子物理学家已经在过去看惯了来来去去的异常现象,但现在有趣的是所有这些异常是一起出现的。这让人感到兴奋,因为它们有可能是相互关联的。
  如果这些现象是真实的,那很可能与尚未被发现的大质量粒子有关。这也可能会与最近在ATLAS和CMS中所出现的异常有关。但根据LHCb的测量,这个新粒子的自旋为1,而这恰恰是ATLAS和CMS的结果可以明确排除的东西(见正文)。

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