希格斯玻色子之外的物理学

在瑞士日内瓦郊外，地下约 300 英尺处，是迄今为止建造的规模最大、最复杂的机器。大型强子对撞机拥有约 1200 个巨型超导磁体、多个吨级的探测器、一个全球计算网格以及数千名员工，是一项超越任何一个国家能力的国际合作项目。该项目的任务是：在一个 17 英里长的环形隧道中，当质子以光速的 99.99999% 碰撞时，会发生什么。

大型强子对撞机于 2008 年开始运行，但对于一些物理学家来说，直到最近它才开始名副其实。“我称之为‘小型强子对撞机’，”加州理工学院实验物理学家玛丽亚·斯皮罗普卢 (Maria Spiropulu) 说，“因为它在第一次运行期间，只以一半能量运行。”这种情况在四月份发生了变化，当时加速器在为期两年的停机后再次启动，停机是为了将其质子束的能量几乎翻倍。现在，物理学家们期待着这台机器能带来一个新发现的时代，它将在未来至少二十年内主导实验粒子物理学。

第 1 部分：史上最伟大的机器

即使在升级之前，大型强子对撞机也成功地震撼了物理学界。2012 年 7 月 4 日，也就是该机器停机七个月前，物理学家们宣布他们发现了这座耗资 49 亿美元的加速器一直在寻找的粒子：希格斯玻色子。该粒子的存在最早由包括爱丁堡大学的彼得·希格斯在内的几位独立工作的物理学家于 50 年前预测，作为解决物理学中最令人困惑的谜团之一的方案：粒子如何获得质量？

对于我们这些非物理学家来说，这个问题似乎不值得一提。质量不就是给定的，物质的基本特征吗？事实并非如此。粒子的某些性质——例如，电子上的负电荷或质子上的正电荷——是粒子本身的内在属性。但质量不是。

质量随粒子运动速度而变化；以接近光速飞驰的质子，就像大型强子对撞机中的那些，比静止的质子重。自然界中所有基本粒子都具有看似随机的质量组合。为什么质子比电子重 2000 倍，而它们的电荷却只是相等且相反？为什么光子——光粒子——根本没有质量？

希格斯及其同事提出了一个解决方案。他们说，宇宙中充满了无形的场，现在称为希格斯场，它通过一个非常特殊的粒子——希格斯玻色子与所有粒子相互作用。我们认为重的粒子与希格斯场强烈相互作用；较轻的粒子相互作用较弱。希格斯玻色子的发现为现年 86 岁的希格斯和 82 岁的布鲁塞尔自由大学物理学家弗朗索瓦·恩格勒特在 2013 年赢得了诺贝尔奖。

标准实践

随着希格斯玻色子的发现，物理学家们找到了标准模型的最后一块缺失部分，这是一个宏大的理论，它用少数粒子和四种基本力来描述宇宙。“几乎所有一切都可以用标准模型来解释，”加州大学伯克利分校的理论物理学家村山齐 (Hitoshi Murayama) 说，“这是一个令人难以置信的成功，我们物理学家可以为此自豪。”

尽管村山和许多物理学家对这个理论感到自豪，但他们却迫不及待地想给它找茬——他们的领域只有通过推翻旧理论，代之以新的、更具包容性的理论才能进步。大型强子对撞机本身就被设想为标准模型的破坏者。

到目前为止，标准模型仍然几乎坚不可摧。它的预测继续与实验结果以惊人的精确度匹配。物理学家从未发现任何与标准模型相矛盾的可靠实验数据，这是一个问题，因为他们知道它不能成为关于物理宇宙本质的最终结论。“我们看到一些迹象表明它背后一定有其他东西，”村山说，“但我们还不确切知道如何解释这些迹象。”

超标准模型物理学最明显的暗示之一是宇宙中存在暗物质的压倒性证据。与所有其他形式的物质不同，它不与光相互作用，天文学家不知道它是由什么组成的。暗物质主要通过它对星系运动产生的引力影响来显示它的存在。

观测表明，宇宙中超过 80% 的物质由这种未知物质组成。数千年来一直困扰天文学家的发光天体——所有无数的恒星和星系——显然是宇宙隐形规则的例外。

许多物理学家打赌暗物质粒子将在升级后的大型强子对撞机更具能量的质子碰撞产生的碎片中出现，寻找它们将是该项目未来几年的主要任务之一。但由于没有人真正知道暗物质是什么，即使像大型强子对撞机这样强大的机器——它实际上重现了宇宙存在最初十亿分之一秒的能量环境——也远不能保证成功。

“没有保证，”伦敦国王学院理论物理学家约翰·埃利斯说，“我们只需尽可能提高能量，进行尽可能多的碰撞，看看我们能发现什么。”

第二部分：宇宙的命运与其他量子困境

也许比大型强子对撞机在其最初五年运行中发现的更重要的，是它没有发现什么：超标准模型物理学的证据。物理学家们曾认为他们有一个理想的标准模型延伸，一个经过 40 多年完善的理论，随时等待在大型强子对撞机上得到证实。

超对称性——或者物理学家称之为 SUSY——预测物理学中已知的每个粒子都有一个更重的“超”伙伴：对于每个电子，都有一个超电子；对于每个夸克，都有一个超夸克。SUSY 实际上使宇宙中的粒子数量翻倍。尽管希格斯场解释了粒子如何获得质量，但 SUSY 解释了为什么质子、电子和其他常规粒子具有如此不同的质量。它还以一种称为中微子的粒子的形式提供了暗物质问题的解决方案，如果它存在，它将比质子重 100 倍，并且几乎不与正常物质相互作用——每秒大约有十亿个可以穿过我们的身体。

这是一个优雅的假设，但目前也仅此而已。对于投入毕生精力研究超对称性的一代物理学家来说，大型强子对撞机的第一次低能运行是巨大的失望。加速器中没有发现任何预期的超对称粒子。除了理论家的头脑中，没有证据表明超对称性存在于任何地方。

至少目前还没有。“可以说我们很担心，”伊利诺伊州费米国家加速器实验室的理论物理学家兼副主任约瑟夫·利肯说。“但这绝不是说超对称性已经死了。这是一个很好的例子，说明这个游戏应该如何运作。如果我们能在黑板上解决所有问题，我们就没必要建造一个 50 亿美元的加速器了。”

超对称倡导者——一个几乎包括所有超越标准模型的理论粒子物理学家的阵营——所面临的挑战是，该理论在数学上最直接的版本预测，大型强子对撞机应该已经在产生希格斯玻色子的相同碰撞中发现了一些超对称粒子。由于没有发现，理论家们不得不退回到更复杂、更不“自然”的超对称版本。现在，硬数据限制了理论家的想象力。“我们被束缚住了，”村山说。

感受灼烧

其中一个束缚就是大型强子对撞机探测到的希格斯玻色子的质量。物理学家通常用爱因斯坦著名的质能方程 e = mc2 来描述粒子的质量，该方程定义了质量和能量的等价性。希格斯的质量能量为 1260 亿电子伏特。在人类尺度上，这是一个微小的数字——不到十亿分之一克的十亿分之一。但在微观尺度上，它却是一个巨大的数字——比某些整个分子还要重。然而，不幸的是，对于宇宙的长期命运来说，它还不够重。

当理论家们将这个 1260 亿电子伏特（以及另一个已知质量，即观测到的最重粒子，顶夸克的质量）代入描述希格斯场的方程时，他们得到了一个令人不安的结果：一个勉强稳定的场。这些方程将表明，在遥远的未来某个时刻，一个量子涨落可能会自发地“打嗝”出一个高能气泡，它将以光速扩散到整个宇宙，摧毁其路径上的一切。在这个黯淡的宇宙中，只有简单的氢原子会以物质的形式存在。

“你可以计算一下 [宇宙打嗝] 需要多长时间才能发生，大约是 10100 年，”斯皮罗普卢说。“在我看来，这说明有些地方不对劲。这可能意味着你有一些尚未考虑到的其他物理效应正在发生。”

这个奇怪的末日预言可能预示着超对称理论是正确的。如果对希格斯场进行相同的计算，并考虑超对称性，就不会出现宇宙末日。超对称性预言可能存在多达五种不同的希格斯玻色子，它们都具有不同的质量，在这种情况下，大型强子对撞机的物理学家可能只发现了最轻的一种。唯一能弄清楚的方法是在未来几年内产生更多的希格斯玻色子，看看其中是否有超希格斯玻色子。

“我们预计，大型强子对撞机的下一次运行将产生比我们迄今为止多 10 倍的希格斯玻色子，”埃利斯说，“因此，许多工作都依赖于精确测量，以观察它们的性质是否符合超对称性的预测。”

第三部分：下一个大型加速器

在加州大学伯克利分校校园后山的劳伦斯科学馆的一个展示柜里，陈列着大型强子对撞机的小型前身。它由 29 岁的物理学家欧内斯特·劳伦斯于 1930 年用电线和火漆建造，这种后来被称为回旋加速器的机器，其加速腔只有 4 英寸宽——大约一个碟子的大小。劳伦斯用它将质子加速到 8 万电子伏特的能量。它的造价是多少？25 美元。这项发明为劳伦斯——他被昵称为“原子粉碎机”——赢得了 1939 年诺贝尔物理学奖。

原子粉碎的成本大大增加了；进行粉碎的机器尺寸也增加了。大型强子对撞机能达到的能量比劳伦斯的小型设备高出近 1 亿倍，但它的建造耗费了几十年和数十亿美元，需要数千名物理学家和工程师的专业知识。就规模而言，它的圆形隧道横跨近 5.5 英里——大约是祖先级回旋加速器的 84,000 倍。这台巨型机器预计将运行到至少 2035 年，但物理学家们已经在为他们希望能够接替它的加速器进行规划了。

“由于这些项目涉及的时间尺度，你不能犯错误，”直线对撞机合作组织的负责人林恩·埃文斯说。该组织由约 2000 名物理学家和工程师组成，他们正在协调开发下一代粒子加速器。“物理学家们在 20 世纪 80 年代早期就开始规划大型强子对撞机。它在 1994 年获得批准，直到 2010 年才真正投入运行。所以时间尺度和决策过程非常漫长。”

与大型强子对撞机不同，下一个大型加速器可能不是圆形的。虽然圆形机器有很多优点——质子可以在大型强子对撞机的隧道中多次加速，每次循环都会获得能量提升，并且光束可以在多个点反复交叉，产生更多碰撞——但也有权衡。大型强子对撞机需要巨大的磁铁来迫使粒子在圆形轨道上运动。当粒子沿圆形路径加速时，它们会辐射能量，因此用于碰撞的能量会减少。

线性进展

最主要的候选者是一个名为国际直线对撞机的项目。国际直线对撞机将从 19 英里长的直隧道的两端发射电子及其反物质对应物——正电子，在机器中心产生碰撞。通过使用电子和正电子束而非较重的质子，国际直线对撞机将使物理学家能够比在大型强子对撞机中更精确地探测粒子特性。

“大型强子对撞机就像一个樱桃派对撞机，”伯克利的村山说，“樱桃派很容易扔，它们也很容易撞在一起，但会产生巨大的飞溅，所有的粘稠物都会从派里流出来。”在大型强子对撞机的碰撞中，“粘稠物”由质子的组成部分——夸克和胶子组成。质子-质子碰撞的这种混乱使得探测新粒子或精确测量已知粒子变得困难。

另一方面，电子和正电子没有任何组成部分，所以碰撞更干净。在大型强子对撞机中，每十亿次质子-质子碰撞中，可能只有一次能产生希格斯玻色子。物理学家估计，在国际直线对撞机中，每百次电子-正电子碰撞中，大约会产生一次希格斯玻色子。那么，挑战将是如何足够精确地瞄准电子束，以确保发生足够的碰撞。

“在圆形对撞机中，当束流在环中循环时，碰撞会发生很多次，”村山说。“但直线对撞机只给你一次机会，为了获得不错的数据，你必须将束流压缩到极小的尺寸，这样电子和正电子发生碰撞的概率才会很高。”

国际直线对撞机的碰撞点将小于 10 纳米——大约 100 个原子宽。“你必须操作这些以光速飞来的微小物体，并确保它们相遇！我仍然惊讶于人们认为他们能做到这一点，”村山说。

但该项目的支持者表示，国际直线对撞机现在唯一需要的是资金，以及一个愿意承办该项目的国家——日本目前处于领先地位。“国际直线对撞机已万事俱备，”该联盟主任埃文斯说。与大型强子对撞机一样，它的建造将耗时十多年。成本估算从 100 亿美元到 250 亿美元不等。

下一个解决方案

大型强子对撞机让物理学家首次看到了一个全新的高能领域，但到目前为止，除了希格斯玻色子，还没有发现任何新东西。

“对我来说，大型强子对撞机的下一次运行将非常重要，”埃文斯说。“如果找不到超对称性，那么建造直线对撞机的理由将更加充分。”他说，大型强子对撞机可能无法找到新物理学的证据——所需的能量可能超出了我们能想象到的任何机器的范围。

即便如此，国际直线对撞机对希格斯玻色子进行的精确测量，可能仍能让物理学家们找出超对称理论（或者如果超对称理论失败，可能是其他理论）与标准模型预测之间的细微差异。

“我们将能够极其精确地测量希格斯玻色子的性质，”埃文斯说，“并试图以这种方式破解标准模型。”

第四部分：大型加速器的终结

随着物理学家们继续努力解开物理世界的经纬，他们将需要越来越强大的机器。一代人之后，他们最大的挑战可能不是来自某个不可知的自然之谜，而是来自社会无法或不愿资助更大、更昂贵的加速器。

“除非我们做一些截然不同的事情，否则我们将走到尽头，无论是现在、20 年后还是 30 年后，”劳伦斯伯克利国家实验室加速器技术与应用物理主任维姆·利曼斯说。“除非我们发明出全新的技术，否则这些机器将变得过于庞大和昂贵，以至于无法建造。”

利曼斯一直在研究一种全新的加速器，它可能允许物理学家在不牺牲能量的情况下缩小其粒子粉碎巨兽的尺寸。

他的装置依赖于极其短促、强劲的激光束。激光向一个充满氢气的 9 厘米长薄蓝宝石管发射万亿瓦特的脉冲。当激光穿过气体时，它将电子从氢原子中剥离出来。利曼斯说，激光的作用有点像一艘汽艇，拖着那些粒子在其尾迹中。

他和他的同事们已经成功地在一个不到一米长的设备中（不包括充满房间的激光器）将电子加速到约 40 亿电子伏特。

“我们的目标是 100 亿电子伏特，”利曼斯说，“我们认为我们可以在半米内做到这一点。”那将使他的台式设备几乎与斯坦福直线加速器处于同一水平，后者在一个 2 英里长的隧道中将粒子推至 500 亿电子伏特。

尽管如此，利曼斯表示，要达到像大型强子对撞机那样万亿电子伏特的能量，他还有很长的路要走。扩展他的系统将需要协调多个激光器的发射，并且计时精度达到近万亿分之一秒。

如果他成功了，一个能够在物理前沿发挥作用的激光驱动加速器能有多小呢？“这是一个难题，”他说，“我们不知道确切答案。我们的设想是，我们应该能够建造一个远小于一公里长的直线加速器。”

大问题

这样的机器仍需数十年才能问世。但如果大型强子对撞机在 2035 年关闭后粒子物理学要继续取得进展，那么像它这样的机器将是必不可少的。到那时，或许物理学家已经解决了暗物质之谜；也许超对称性将站稳脚跟。又或许标准模型仍将占据主导地位，而物理学家们仍在寻找他们的万物理论。

“我们在理解宇宙的基本性质方面取得了长足的进步，”加州大学圣巴巴拉分校物理学家、发现希格斯玻色子团队之一的负责人约瑟夫·因坎德拉说。“嘿，这个想法，如果你仔细想想，可以追溯到 2600 年前。所以我们人类必须要有耐心。过去一个半世纪左右的突破如此之快、如此惊人，以至于我们有些被宠坏了。也许我们必须把一些事情留给后代。”