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大型强子对撞机奥运会和质量之谜

了解希格斯场在粒子质量中扮演的关键角色以及物理学中层级问题带来的挑战。

作者:Mark Trodden
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从阿特金斯饮食法到新陈代谢饮食法再到俄罗斯空军饮食法,关于理解人类质量起源的正确方法的观点层出不穷。当涉及到构成宇宙普通质量的基本粒子的质量的更深层问题时,情况也差不多。大多数物理学家都同意,粒子物理标准模型的巨大成功意味着粒子质量必然源于它们与一个被称为希格斯场的场的相互作用。在当前可达的能量下,人们认为希格斯场是一个标量场,基本粒子之所以获得质量,是因为宇宙充满了希格斯场的凝结物,所有标准模型粒子都必须在这其中穿行。标准模型可能不完整的迹象之一来自于这个希格斯场量子理论的性质。为了使希格斯场能够正常工作,其质量必须接近弱相互作用尺度(除非处于一个参数空间中极其狭窄的区域)。然而,标量场的质量会受到量子效应(所谓的二次发散)的巨大修正,除非对理论进行极其荒谬的微调,否则希格斯玻色子的预期质量可能高达普朗克尺度——比弱相互作用尺度高十六个数量级。这种希格斯场所需的低质量尺度与可能驱动它的超高普朗克尺度之间的张力,就是标准模型的层级问题。下一代粒子对撞机——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)和拟议的国际直线对撞机(ILC)——的许多动机都来自于识别负责产生质量的机制(寻找希格斯粒子)以及理解上述层级得以稳定的结构。其他动机来自于对撞机与宇宙学之间的联系。在最近一期的《Scientific American》杂志上,密歇根大学著名的粒子理论家 Gordy Kane 讨论了这些问题,他写了一篇题为《质量之谜》的文章。解释层级问题的主要候选理论之一是超对称,它通过引入一组新的粒子来平息二次发散,这些粒子通过超对称与标准模型粒子相关。Gordy 一直是超对称研究的主要参与者,因此这篇文章的一个重点自然是超对称。然而,值得指出的是,还有许多其他理论(例如额外维度,JoAnne 是这方面的专家)在流传,更不用说经久不衰的最爱——以上皆非。无论你是否认为超对称理论引人注目,质量的起源无疑是当今物理学面临的最深刻的问题之一,我认为 Gordy 的文章对主要问题和挑战进行了有趣的总结。随着 LHC 即将(可能在 2007 年)启动,严肃地研究如何解释其数据以区分理论家们提出的各种理论的尝试已经加剧。为此,几天后,欧洲核子研究中心将举办LHC 奥林匹克竞赛——一种检验这种区分可能做得多好的盲测。他们甚至还有一个PDF 指南。当所有这些结果出来后(希望在几个月内),我(或者如果我能说服她,JoAnne)将报告发生的情况。

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