如何寻找被隐藏的新物理？

科学的原则：实验是一切只是的试金石。
——费恩曼

2016年，物理学家感到焦躁不安。四年前，大型强子对撞机（LHC）找到了希格斯玻色子——粒子物理学标准模型的最后一块拼图。在巨大的成功后，物理学家把希望都寄托在了LHC上，希望它能够继续发现其它新的粒子，因为自然界需要这些粒子的存在。但是，到目前为止，他们所收集的数据都暗示着他们的期待似乎只是幻想。

2014年，在LHC中的高能对撞产生的粒子径迹。（? Wikimedia Commons）

标准模型和广义相对论在微观和宏观上都出色的发挥着各自的作用，但是物理学家知道这两个理论并不是终极的。至少他们认为他们知道：理论是不完备的。不仅仅是因为两个理论之间的不相容，它们还导致了一些无法治愈的悖论。大自然特别的喜欢隐藏自己的真实面目，而物理学家的目标就是找出背后的答案。他们知道肯定有一些线索还没被发现，但问题是，究竟在哪里？

粒子物理学的标准模型：包括费米子、玻色子以及希格斯玻色子。物理学家相信除了这些还有更多的粒子等待被发现。（? Wikimedia Commons）

物理学家逐渐的在缩小他们寻找的范围，而下面对下面几个方面的研究或许能打开新物理学的大门：

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弱耦合

在加速器中（比如LHC），将两束粒子加速获得极高的能量后进行对撞，这样就可以产生许多的粒子。但是，产生的新粒子的量取决于它们与对撞粒子（就LHC而言，对撞粒子为质子，或是组成它的夸克和胶子）的耦合强度。如果一个粒子的耦合非常弱，那么产生它的可能性也比较低，因此它就很难被发现。

物理学家提出了许多属于该类型的新粒子，这些弱相互作用的粒子是暗物质的候选者。最广为人知的是大质量弱相互作用粒子（WIMPs），惰性中微子（这些中微子不与轻子耦合），以及轴子（为了解决强CP问题提出来的粒子，也是暗物质的候选者）。

注：强CP问题是指在量子色动力学（描述夸克和胶子相互作用的理论）中为什么CP对称不被破坏。C代表电荷，P代表宇宙。

寻找这些粒子的方法有两个：直接观测——通过监视在地底下的大水槽的一个罕见碰撞的发生；以及观测一些可以提供间接证据的天文物理过程。

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高能量

如果粒子不是弱相互作用的类型，那么它们应该早就被发现了，除非它们的质量超过了目前粒子加速器所能达到的能量。在这种情况，物理学家的首要目标是寻找超对称伴粒子，由于超对称破缺，这些粒子比标准模型中的粒子要重的多。

左边为标准模型中的粒子，模型中所有的粒子都已经被发现。右边为超对称粒子，目前并没有发现任何这些粒子，或许还需要更高的能量，也或许理论本身就是错误的。（? DESY）

严格来说，能不能发现新粒子的问题并不在于质量，而在于需要产生粒子的能量，这也包括结合能。例如，在强相互作用力中，夸克被限制和其他的夸克在一起（两个或三个组成一个粒子），也就是说夸克不会单独的存在，即所谓的夸克禁闭。尽管夸克的质量很小，但是想要把它们之间强行拉开却需要非常多的能量。因此，夸克或许是由更小的“先子”构成的，它们之间的相互作用被称为色力（Technicolor）——跟强核力类似。但是，色力的理论模型与实验数据不符合，因此该理论现在并不是特别流行，但还没完全被判死刑。

通过LHC中的对撞以及对高能宇宙射线的探测研究，物理学家希望能够从中找到蛛丝马迹。

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高精度

对标准模型的高精度试验完全是高能测量的互补。这些试验对来自虚粒子的最微小效应都极其灵敏（注：在量子力学中，虚粒子是一种永远不能直接检测到的，但其存在确实具有可测量效应的粒子）。相关例子有：质子衰变、中子-反中子振荡、μ介子g-2、中子电偶极矩以及K中介子振荡。它们各自都有相应的实验在寻找超越标准模型的现象，而且这些实验测量的精度一直在不断的提高。

无中微子双β衰变。（? JabberWok2）

另外一个稍有不同的高精度试验是寻找“无中微子双β衰变”。当原子核内的一个中子自发衰变成一个质子和一个电子，同时也释放出一个反中微子的时候，就发生了β衰变。另一方面，中子也可以吸收一个中微子变成一个质子和一个电子。而所谓的“无中微子双β衰变”则是在β衰变释放出的反中微子被中子吸收的情况。但只有在中微子是其自己的反粒子（即马约拉纳粒子）时，“无中微子双β衰变”才能发生。

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过去

在早期宇宙中的物质比我们能够在粒子加速器达到的要致密及炽热的多。因此，这个时期遗留下来的任何信号可以传达许多的信息。微波背景辐射（CMB）中的温度起伏就是一个很好的线索。它可以被用来检验暴涨模型或者它的替代者；也可以用来检验宇宙是否是由大爆炸开始，或者是经历了大反弹。（注：在大反弹模型中，宇宙会不断的经历大爆炸和大坍缩的过程，也就是说宇宙会无限的“循环”自己。）

包含着暗能量的宇宙：我们的宇宙。（? NASA/WMAP）

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遥远的

有一些新物理的信号出现在长距离上。其中一个重要的问题是宇宙究竟是什么形状的？它是否真的是无限大？如果是，为什么会是这样？回答这些问题的答案只能通过观察宇宙微波背景辐射温度起伏的模式。如果我们是生活在一个多重宇宙中，会有一定的概率两个相邻的宇宙会相互碰撞，这就会在CMB上留下痕迹。另一个科幻般的现象在长距离上能够被察觉的是第五种相互作用。它会有各种各样的效应，从违反等效原理到演化的暗能量。因此，有许多的实验仍然在不断的检验等效原理和暗能量是否随着时间演化。

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就在这里

并不是所有的实验都是巨大和昂贵的，还有许多小型的实验也在进行。例如，对量子力学基本原理的不断检验。随着科技的发展，纳米级别的设备，单光子源和噪声控制技术的进步使许多以前无法进行的实验都得以实现。或许有一天，仅仅通过测量，物理学家就可以停止对量子力学的“正确”诠释的争论。

19世纪末，开尔文爵士断言：“物理学已经走到了尽头”，但事实是不仅没有走到尽头，而是打开了全新的世界：相对论和量子力学。同样，现在的物理学还远远未结束。基本理论越来越难以检验，但是物理学家不断的推进实验的极限。我们能确定新的物理就在那里；而我们现在能做的就是利用越来越高的能量以及精度察觉那些微妙的效应。如果大自然对我们足够仁慈，或许在不久的将来我们就能看到超越粒子标准模型，超越宇宙标准模型的新物理出现。

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