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继标准模型成功之后，实验已经无法验证新的宏大理论。那么，粒子物理学陷入危机了吗？作者简介：BenAllanach剑桥大学应用数学和理论物理系教授。他和剑桥的超对称工作小组致力于在对撞机上寻找新的物理学。近年来，物理学家们一直在小心翼翼地观察着来自大型强子对撞机(LHC)的实验数据。我们花了几十年的时间，为亚原子层面纷繁复杂的粒子“动物园”进行了分类，亚原子粒子已经是已知宇宙最基本的组成部分。标准模型是我们迄今为止所取得成就的巅峰，它的一些理论预测被证实误差不到亿分之一，准确度达到了惊人的程度。但它也留下了许多未解之谜。首先，最重要的，引力从何而来？为什么物质粒子总是由三个夸克组成，它们的质量有什么特殊的模式？什么是暗物质？为什么宇宙中物质比反物质多？为了解决其中的一些谜团，物理学家们一直在将优雅而令人兴奋的新数学结构嫁接到标准模型中。这遵循了自艾萨克·牛顿时代以来基础物理学的主线：追求统一。科学努力通过识别、推理和最终证明它们共同的本源来解释表面上看似不同的现象。这种自上而下、抽象简化的思维方式已经产生了许多显著的成就。牛顿认为，无论是落地的苹果，还是绕太阳运行的行星，都可以用引力来解释。年，物理学家保罗·狄拉克将量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合在一起，提出了反物质。自20世纪末以来，弦理论学家一直试图通过存在于10维到26维之间的弦的微小振动来调和引力和量子力学。因此，当欧洲核子中心(CERN)于年在日内瓦郊外第二次启动大型强子对撞机时，对实证验证的希望非常高。物理学家最具冒险精神的自上而下思维的成果将受到最终考验。LHC已经取得了一项惊人的成功：年，欧洲核子研究中心宣布，希格斯玻色子已经被发现，它是在高能质子的正面碰撞中产生的。新粒子只存在了短短的几分之一秒，就衰变成一对具有特定能量的光子。让科学界兴奋不已的并不是新粒子本身，而是它为物质如何获得质量的理论提供了确凿的证据。年，英国物理学家彼得·希格斯(PeterHiggs)等人提出了玻色子假设。在此之前，这个数学模型预测的粒子根本不应该有质量。最终，在第一次提出修正方案的半个世纪后，希格斯玻色子正式进入了亚原子的“动物园名录”，这是标准模型最后一个有待实验验证的部分。然而，除了希格斯玻色子之外，我们一无所获。理论家们所希望看到的奇异粒子和相互作用都没有出现。没有“止夸克”（stopsquarks），没有胶子，没有中微子。各种无效的结果覆盖在标准模型的船体上，就像一艘美丽的旧护卫舰上的藤子，时刻想把它拖到海底。看起来几个世纪以来对自上而下的统一的追求已经停滞，粒子物理学可能面临全面的危机。在质量问题的背后，一个更大更丑陋的问题潜伏在标准模型庞大的船底：为什么希格斯玻色子这么轻？在实验中，它的质量是质子的倍。但使用该理论的计算表明，它应该要大得多——实际上大约是它的0万亿倍。这个超大质量的希格斯玻色子应该是量子涨落的结果：一个超重粒子-反粒子对，产生的短暂瞬间，然后就消失了。超重粒子对的量子涨落应该会对希格斯玻色子产生深远的影响，因为希格斯玻色子的质量对它们非常敏感。标准模型中的其他粒子由于某种数学对称性而不受这种量子效应的影响，也就是说，在转换过程中不会发生变化，就像一个正方形转动了90度，但希格斯玻色子是唯一一个，能敏锐地感受到这种影响。但事实并非如此，因为希格斯粒子的质量非常小。一个合乎逻辑的解释是，大自然已经选择希格斯玻色子质量的初始值来精确地抵消这些量子涨落，精确度为分之一。然而，这种可能性似乎很小，因为初始值和量子涨落彼此没有关系。这就好比把一支尖尖的铅笔扔到桌子上，然后让它精确地直立着，在笔尖上保持平衡。用物理学的术语来说，铅笔的结构是不自然的，或者是微调过的。就像只要有稍微的空气运动或微小的振动就会使铅笔倒下一样，希格斯粒子的质量不应该被完美地校准，以至于抵消量子涨落。然而，希格斯玻色子的自然性问题可以用一种新的、更基础的理论来解释，而不是一种神秘的对称关系：超对称性。为了捕捉超对称性，我们需要更仔细地观察粒子。粒子的行为有点像微小的旋转陀螺，尽管它们的旋转量是受限制的。例如，宇宙中所有的电子都有相同的自旋量；所有的光子都有双倍的自旋，所有的希格斯玻色子都没有自旋。自旋的基本单位是电子的自旋。其他粒子的自旋等于某个整数乘以电子自旋。每一次碰撞都是一个量子过程，这意味着它本质上是随机的。超对称可以将不同自旋的粒子连接起来：看起来不同的粒子只是同一基本客体的不同方面。重要的是，粒子-反粒子对的大量子涨落会影响希格斯玻色子，如果反粒子的自旋是电子自旋的奇数倍，会使希格斯粒子变轻，如果反粒子的自旋是电子自旋的偶数倍，则会使希格斯粒子变得更重。这意味着超对称可以像跷跷板一样平衡希格斯玻色子质量。一边是所有奇数自旋粒子，与另一边偶数自旋粒子完全平衡。总的效果是跷跷板保持平衡，希格斯玻色子的质量不会受到量子效应的影响。超对称的直接推论是，我们所知的每一个粒子都有一个对应的超伴粒子，除了自旋不同以及超对称伙伴更重之外，它们的性质完全相同。超伴粒子的质量不是固定的，但是越重，粒子和超伴粒子之间的抵消就越不精确，就越需要依赖粒子自身质量的微调。假如存在质量大约是质子质量0倍的超伴子，理论仍然运行得相当好。但如果质量增加10倍，这个理论就会变得非常不自然。通过质子对撞，LHC应该能够产生这些超伴子，前提是它们的质量大约是质子的0倍。要做到这一点，你需要将质子束的能量转化为预测的超伴粒子的质量，通过爱因斯坦狭义相对论方程：E=mc2(能量等于质量的平方)。然而，每次碰撞都是一个量子过程，这意味着它本质上是随机的，你无法准确预测将会发生什么。但是，你可以计算各种结果的相对概率。通过测量数十亿次的碰撞，你就可以对照产生粒子的相对频率来检验理论的预测。正如你已经知道的，要想知道质子碰撞时发生了什么，需要进行大量的探测工作。在这种情况下，你试着通过观察超对称粒子衰变为更普通的粒子来检查它们产生的频率。这些副产品的位置是由巨大的探测器来测量的，这些机器被放置在LHC反向旋转光束的交叉点周围，就像一台巨大的三维摄像机。超对称粒子是一种不可见的重粒子的产物，它可以像小偷一样溜过探测器，不留下任何痕迹。这些非常弱的相互作用粒子是宇宙中暗物质起源的候选者，我们从宇宙学中了解到的奇怪、不可见的暗物质应该比普通物质多四倍。它们的存在意味着从碰撞中偷走动量，意味着碰撞前后的动量不守恒。我和我的同事们密切地观察着LHC，以寻找这些超级伴子的迹象。目前还没有找到。我们开始问自己，是否错过了他们？也许产生的一些粒子能量太低，无法观测到其产生的碰撞。也许我们对暗物质粒子的认识是错误的，也许存在其他一些不稳定的粒子。最后，这些想法并不是超对称理论的“免责借口”。使用各种实验分析技术，我们曾经似乎找到了超对称的证据，但是很快就被排除了。另一种可能是，超伴子比预期的要重一些；因此，希格斯玻色子的质量可能确实存在某种抵消(比如说，百分之一)。但随着数据的涌入和LHC的束流能量的增加，超对称作为希格斯玻色子自然性问题的解决方案变得越来越重要。最令人沮丧的是自然性问题并不局限于希格斯玻色子。问题是，我们不知道该不该以及什么时候放弃超对称。的确，随着来自大型强子对撞机的数据越来越多，却没有发现超伴子的迹象，如果超伴子存在的话，它们的重量就会越来越大，解决问题的能力也会越来越小。但是没有明显的证据表明超对称已经死了。每个人都有自己的偏见，在他们确信放弃之前，至少需要做足够的努力。大型强子对撞机仍在继续运行，我们仍在努力寻找超伴子，但我的许多同事已经转向新的研究课题。在我科学生涯的前20年里，我开始研究如何在大型强子对撞机的数据中探测超伴子的存在。现在我几乎把它作为一个研究课题而放弃了。有可能是我们在构建希格斯玻色子之谜的过程中犯了错误。也许我们在计算它质量的数学框架中遗漏了一些东西。研究人员沿着这些思路进行了研究，到目前为止没有任何结果，但这并不意味着没有解决方案。另一个怀疑是关于重子的假设，依赖于基于引力的量子理论的论证，而这样的理论还没有被证实，尽管有一些数学上一致的理论，如弦论。也许目前粒子物理学方法中最令人沮丧的缺陷是：自然性问题并不局限于希格斯玻色子。计算告诉我们，真空空间的能量(宇宙学中推测是微小的)应该是巨大的。这将使宇宙的外部区域在远离我们的地方减速，而实际上，对某些遥远超新星的观测表明，我们的宇宙的外部区域正在加速。超对称并不能解决这个矛盾。我们中的许多人开始怀疑，无论如何解决了这个关于宇宙真空能量的更困难的问题，就能解决另一个关于希格斯粒子质量的更温和的问题。所有这些挑战的出现，是因为物理学坚持还原和统一。诚然，这种方法有其独特的高贵血统。在我上世纪90年代获得博士学位和早期职业生涯期间，它在理论家中风靡一时，极其复杂的弦理论数学是它的巅峰。但我们自上而下的努力似乎没有取得任何成果。试图理解基本原理的困难在于，它要求我们做出大量的理论假设，其中任何一个都可能是错误的。我们希望在这个阶段已经测量了一些超伴子的质量，这将给我们提供一些数据来确定我们的假设。但是我们还没有发现任何有用的东西。这并不意味着我们需要放弃统一范式，这只是意味着渐进的方法比革命性的方法更可取相反，我们中的许多人已经从旧的自上而下的工作方式转变为一种更谦逊的、自下而上的方式。现在我们只是从实验数据中寻找线索，然后从这些数据中一点一点地工作，而不是通过提出一个宏大的理论并对其进行测试，试图一步到位地深入到自然最基础的领域。如果某些测量结果与标准模型的预测不符，我们就添加一个新的相互作用粒子来解释它。然后我们看看它是否与其他数据一致。最后，我们继续探索未来如何检测新的粒子及其相互作用，以及实验如何筛选数据以便能够检验它。自下向上的方法远不如自上向下的方法雄心勃勃，但它有两个优点：对理论假设的依赖很小，而与实验数据关系密切。这并不意味着我们需要放弃旧的统一范式，它只是表明，我们不应该如此傲慢，以为我们可以现在就能统一物理学。这意味着渐进主义比革命主义更受欢迎，我们应该在各种条件下使用经验数据来检验和引导我们，而不是在最终面对实验时做出颠覆所有的宏大主张。自下而上方法最典型的例子是底介子，一种由底夸克和另一种较轻的夸克组成的复合粒子。底介子似乎正在以错误的概率衰变。大型强子对撞机的实验已经测量了数十亿次这样的衰变，从特定的相互作用中得到一个介子对的概率似乎是标准模型所认为的概率的四分之三。我们还不能完全肯定这一效应与标准模型存在强烈的冲突。我们正在分析更多的数据，以确保结果不是由统计数据或一些细微的系统错误造成的。我们中的一些人正忙于推测这些发现可能意味着什么。z素数（Z-primes）和轻夸克（leptoquarks）是两种不同类型的、新的、未被观察的外来粒子的激发，每一种都深埋在底介子的内部，可能是导致底介子行为异常的原因。然而，问题是人们不知道是哪一种(如果有的话)粒子造成的。为了检验它，理想情况下，我们会在大型强子对撞中产生它们，并检测它们的衰变产物(这些衰变产物应该包括具有一定能量的介子)。大型强子对撞机有可能产生z素数或轻夸克，但也有可能它们太重了。在这种情况下，我们需要建造一个更高能量的对撞机：将能量束的强度提高到LHC的7倍，将是一个不错的选择。与此同时，我和同事们问：为什么新粒子会出现在那里？一种新的数学对称可能是z素数的答案：它需要z素数的存在才能成立。从这种对称性中，我们可以得到额外的理论约束，以及一些可能的实验特征的预测，这些特征可以在未来的实验中得到验证。通常，底介子被预测有一定的概率会以其他方式衰变，例如，衰变为一种叫做反介子的物质。未来，LHC将积极分析这些信号的数据。我们从一个实验信号开始(特定的底介子衰变与标准模型预测不符)，然后我们试图用一个新的粒子来解释它。它的预测必须与当前的数据进行比较，以验证解释仍然可行。然后我们开始建立一个额外的理论结构来预测粒子的存在，以及它的相互作用。这个理论将指引我们预测未来对新粒子衰变的检验，以及在LHC中寻找新粒子的直接产生。只有在考虑了这些测量和搜索的新线索，并且对模型进行调整之后，我们才可能想要将模型嵌入到一个更大、更统一的理论结构中。这可能会引导我们逐步走上统一之路，而不是企图一跃而起，瞬间解决一切问题。

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