holisho

大型強子對撞機設備（LHC）是一臺埋設在法國-瑞士邊境地下的環(huán)形裝置，這個加速器重達5萬噸，埋設深度約100米，有27千米長，耗資約80億美元。有來自50多個國家的超過6 000名物理學家在那里工作，其中包括100多名中國研究人員。

“LHC又發(fā)現(xiàn)了新粒子”“LHC發(fā)現(xiàn)粒子名單出爐”……世界各大媒體都對它懷著巨大的期待。2007年5月，《紐約時報》以《向物理學最重大疑問大步挺進》為題對LHC做詳細介紹，文中不乏這樣的詞匯：“他們已然準備就緒，重現(xiàn)宇宙誕生的景象。一次，再次，又一次……事實上，每秒3千萬次，讓宇宙一次又一次地誕生著?！钡?，近年來LHC頻頻遭遇信任危機。

轉折，一個消失不見的信號

2015年12月16日，LHC所屬的兩大探測器超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊u子線圈（CMS）團隊都發(fā)現(xiàn)了一對超高能光子，它們共帶有高達750GeV（能量單位，表示十億電子伏特。電子伏特代表1個電子在經(jīng)過1個伏特的電場加速后所獲得的動能）的能量。要知道現(xiàn)在已知最重的基本粒子頂夸克的能量也只不過173GeV而已。如此強大，且同時在兩個獨立探測器上顯現(xiàn)的信號，以前從未出現(xiàn)過。于是科學家群情激昂。為了探討這一可能變革帶來的各種后果，幾個月間，他們發(fā)表了 500多篇論文。

然而，在2016年采集的數(shù)據(jù)中，這個信號卻消失了……怎么可能？是計算出了問題還是分析出了問題？哪根線搭錯了？都不是。物理學家認為，只怪他們的運氣太糟。要知道，ATLAS團隊的出錯概率只有不到兩萬分之一，CMS團隊則只有不到三千分之一。

2016年8月5日，在美國芝加哥召開的第38屆國際高能物理研討會上，LHC團隊共同宣布，所謂的發(fā)現(xiàn)新粒子只是一個幻象?！斑@是場噩夢”“這是一記重拳”“真是頭痛”，那天，希望最終變成了失望，大部分物理學家的反應都充滿困惑和失望。這些理論家曾相信，鑒于它的強大功率，LHC應能為某種超越標準模型的假說提供證據(jù)。40年來，科學家提出了多種此類假說：超對稱、額外維度、第五種基本力……的確，標準模型的弊病眾所周知：它無法解釋85%的宇宙物質，無法解釋宇宙中不存在反物質，也無法解決中微子的質量問題。所有這些謎團本應在巨大的圓環(huán)中找到答案：比如一些未知粒子。因此在過去的幾個月間，專家們非?？释环N新粒子能夠成為其中的第一個。那么現(xiàn)在呢？如果LHC果真一無所獲，就不得不否定科學家?guī)资陙頌橥黄茦藴誓Ｐ退龅睦碚摴ぷ鳎?/p>

能量，到達設計極限

然而，LHC目前已經(jīng)達到其設計能量極限，要進一步尋找新粒子，需建設能量和精度更高的機器。這或許是30年前該項目設計之初，唯一一件沒人預料到的事情。

我們知道，大部分物質由分子、原子構成（還有部分等離子物質），原子由質子、中子組成的原子核和繞核旋轉的電子構成。而質子和中子都由夸克和膠子組成，之后就沒有發(fā)現(xiàn)更深層次的結構了，因此夸克、膠子和電子被稱為基本粒子。在物理學標準模型的62種基本粒子中，其他61種都已被實驗證實了存在，只有希格斯玻色子仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。如果它們就存在于我們身邊的話，為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡？實際上，每1012次的質子對撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯玻色子。更麻煩的是，這種粒子一旦產(chǎn)生，十億分之一秒后就會衰變成光子和強子等其他粒子。由于它難以尋覓又極為重要，因此也被稱為“上帝粒子”。2012年，科學家宣布利用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所謂的“標準模型”。

實際上，除了長期主導但并不完整的粒子物理“標準模型”中已有的成員，這臺機器的對撞至今沒有“召喚”出任何全新粒子。在對撞殘骸中，物理學家沒有找到能夠組成暗物質的粒子，沒有希格斯玻色子的兄弟姐妹，沒有額外維度存在的跡象，沒有輕子夸克——最重要的是，也沒有人們苦苦尋找的超對稱粒子。讓科學界考慮30年，卻沒有驗證一項正確的預測讓人們能看到，這不免讓科學家大失所望。

噩夢？一無所獲

粒子可能隱藏在各種邊緣角落。比方說，如果標量頂夸克和最輕的超中微子（超對稱理論中的暗物質候選者）恰巧具有幾乎相同的質量，它們可能至今還隱藏著。這是因為當撞擊產(chǎn)生一個標量頂夸克并衰變出一個超中微子時，只有很少的能量會以運動的形式釋放。肯定還會有其他發(fā)現(xiàn)？但是越來越多的專家卻預感，LHC這個龐然大物可能終將一事無成。這確實不是一個好消息。我們必須正視這種可能性，因為可能性正在大幅增加。所謂只是驗證了標準模型而已的說法越來越可信了。

新物理的缺失加深了自2012年就產(chǎn)生的危機，當時LHC第一次運行，證實了8TeV（能量單位，表示兆億電子伏特）撞擊將不會產(chǎn)生任何超越標準模型的新物理（那一年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是標準模型的最后一塊拼圖，而非它的擴展）。仍舊可能有一個救星粒子在前年晚些時候或去年出現(xiàn)，或許，當數(shù)據(jù)經(jīng)過長時間的積累，會在已知粒子身上發(fā)現(xiàn)細微的驚喜，間接提供新物理的線索。但理論學家們已經(jīng)逐漸開始準備接受“噩夢場景”了，那就是LHC根本無法把我們引向一個更加完整的自然理論。

信任，遭遇危機

盡管我們仍然認為科學發(fā)現(xiàn)可以由一位天才在自家地下室的實驗室里獨力完成，但事實上，為了能把質子加速到光速的99.9999991%，讓其運動質量達到靜止質量的7 000倍。整個LHC對撞系統(tǒng)裝備有9 300塊磁鐵，并被冷卻至-271.25℃。驅動這些探測器所需的電力供應是驚人的，幾乎相當于北京市所有家庭用電的總和。LHC耗資大約80億美元，其后每年所需的經(jīng)費約為2.86億美元。事實上每年僅電費消耗就達2 350萬美元。要維持大型強子對撞機設備的正常運轉，每年的預算開支至少達10億美元。

沒有成果，如果LHC在未來20年內能做到的只不過是驗證標準模型，研究人員又如何說服決策者和其他領域的同事繼續(xù)這項工作呢？拿什么理由來提出建造下一代對撞機的計劃，或者更直接，要如何吸引青年才俊繼續(xù)投身這一研究領域？

它曾有機會掀起一場革命?，F(xiàn)在，似乎一切討論都結束了，LHC的葬禮或許又開啟了一個新紀元。如果標準模型是完美無缺的，那么剩余給后代的理論物理學家的事業(yè)，真的稀少而枯燥了。不過人類這種企圖以一種理論的建構而一勞永逸的夢想有過多次，但是都最終驚醒。標準模型如果存在無法彌補的漏洞，那么對于年輕的物理學家們，并不是一件壞事，反而可以說是理論物理學春天到來了。