LHC会是实验粒子物理学的终结吗？

Image credit: CERN/Maximlien Brice, of the CMS detector, the small detector at the LHC.

“物理学现在已经没什么新东西能被发现了。剩下的只是更多更精确的测量。”
—开尔文勋爵

十九世纪末，物质被组织为包含近一百种不同元素的周期表，我们很快意识到，被认为是不可分割的自然积木——原子(希腊语字面含义为不可分割)——本身是由更小的粒子组成的。

原子中充满带负电荷的电子。不久后，带正电的原子核被发现，跟着是质子和中子被分别发现，它们本身又被发现能被分割为更小的夸克和胶子。

Image credit: Paul Wissmann, via Santa Monica College

到今天我们认识到，我们所知的一切物质都是由一系列真正不可分割的粒子组成：

■ 六味夸克和六味反夸克，各有三种色荷，

■ 三种带电轻子和三种中性轻子(中微子)以及与它们对应的反粒，

■ 负责强核力的八种胶子，

■ 负责电磁力的光子，

■ 负责弱核力的W和Z玻色子，

■ 以及希格斯玻色子，一种单独孤立的大质量粒子，是负责所有基本粒子静止质量的场的结果。

Image credit: E. Siegel.

这是粒子和相互作用的标准模型，它描述了宇宙中已知的一切，只有几个显著的例外。(例外是引力、暗物质和暗能量的存在和性质、以及宇宙中物质与反物质不对称的起源，以及其他更深奥的例外。)标准模型工作得很完美，也就是说，在每一个我们曾经做过的实验，和每一个所观察到的结果中，这些粒子和力、它们之间的相互作用、截面，振幅及衰变率和预测是精确一致的。

这本身就是一个问题。

Image credit: the ATLAS collaboration / CERN, retrieved from University of Edinburgh.

你看，这些是物理学家们希望大型强子对撞机可以揭示的基本物理学里一些真正未解释的问题。有些是前面所提及的，包括：

■ 暗物质是什么构成的，对其负责的是什么粒子？

■ 为什么我们在弱相互作用而不是强相互作用中见到CP不守恒？

■ 正反物质不对称的本质是什么，对其负责的重子数守恒破坏过程是什么？

■ 为什么这些基本粒子的质量(介于1 MeV和180 GeV之间)远小于令人难以置信的10¹⁹GeV的普朗克尺度？

如果我们所拥有就只是标准模型，那么这些问题就都没有我们能够知道的答案。

Image credit: Universe-review.ca.

但有很多标准模型的理论性扩展提供了希望。在我们设想的所有物理学上有趣的场景中，这些问题的解决方案都有两个共同点：

1. 它们指出，当我们以足够丰度创造出不稳定的标准模型粒子时，我们将会可重复地且统计显著地见到它们以与标准模型所预测的不同方式衰变。

2. 他们都预测，在足够高的能量上，将会存在标准模型中没有的新的、基本(不可分割的)粒子。

超越标准模型的物理学的选项包括超对称性、technicolor、额外维度等。但?从实验物理学家不是理论物理学家?角度来看，这些选项只有当它们具有可被我们能够执行的实验所检测的特征，才有意义。

Image credit: CERN/LHCb Collaboration.

在大型强子对撞机上，这意味着衰变率相对于标准模型预测的偏离需要达到实验所及范围。例如，标准模型预测一个粒子应该以1.1x10^-6的分支比衰变为陶子，并以1.8x10^-5的分支比衰变为渺子，这意味着你必须创造至少几千万个这种粒子，并精确观测其衰变来作出此测量。

因为如果你“仅仅”创造出一千万个这种粒子，并观察到它们中180个衰变为渺子，14个衰变为陶子，你就不能得出结论说发现了超越标准模型的物理学；你没有足够的统计显著性。

ATLAS collaboration (L), via http://arxiv.org/abs/1506.00962;

CMS collaboration (R), via http://arxiv.org/abs/1405.3447.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
考虑到我们创造出最重的基本粒子：希格斯玻色子和顶夸克时，我们只进行了数千次数量级的详细测量，这将会是是难以置信地困难。如果我们能够建造一个创造这些粒子“工厂”，我们就能以我们想要的(几乎)任意精度测量它们的衰变，这个工厂就是提议中的高能电子-正电子对撞机国际直线对撞机(ILC)。

但只有当LHC首先能发现强有力证据表明，或者这些非标准模型衰变存在，或者存在新粒子，并且解决前述问题的理论预测了这两者，这才有可能会发生。

Image credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Kimberly Boustead.

问题是，我们所拥有的超标准模型物理学证据很微弱：它的统计意义显著性在该领域是无关紧要的。人们对这些初步结果感到兴奋的唯一原因是，真的没有任何其它能让人兴奋的东西了。如果在大型强子对撞机中只发现了一种希格斯粒子，那么或者超对称性不存在，或者它的能量尺度与它被设计用来解决的问题无关。此外，如果在低于约2~3 TeV的能量上没有新粒子被发现——如果存在的话大型强子对撞机应该就能发现，那么合理的假定就是直到100,000,000GeV或更高的能量尺度，都不会有任何新东西了。

即使穷尽我们最大的技术能力，环绕蓝星赤道建造一台粒子加速器(被排险者所摧毁的爱因斯坦赤道)我们仍然无法达到这些能量。

Image credit: ILC collaboration.

要说在未来几年内，你将看到一系列的文章、演讲和讨论主题是“我们是否已发现超标准模型粒子物理学的第一个迹象？”，这并不是一个夸大的预测。

而如果其答案是“不明确”，那么中心思想就是：标准模型可能就是我们有生之年所有粒子对撞机所能达到的。有时候，上新闻头条或者拿诺贝尔奖的并不是新的、令人兴奋的发现，而是自然界所能给我们的。相信哗众取宠的谎言，还不如接受令人失望的事实。