lhc是實驗粒子物理學(xué)的盡頭嗎

LHC是實驗粒子物理學(xué)的盡頭嗎“如今物理學(xué)已經(jīng)什么有待發(fā)現(xiàn)的新事物了。剩下的都只是不斷提高測量精度罷了。”開爾文爵士19世紀(jì)末，我們對物質(zhì)世界的基本認(rèn)識經(jīng)歷了一次巨大的變革。在這之前，物質(zhì)被認(rèn)為是由周期表中的一百多種不同元素所構(gòu)成的，然而之后不久，我們發(fā)現(xiàn)曾被認(rèn)為是不可分割的 “原子”（Atoms，拉丁語中表示“不可分割”）竟是由更小的粒子組成。原子中有帶負(fù)電的電子。不久之后，帶正電的原子核也被發(fā)現(xiàn)了。緊接著，物理學(xué)家又分別發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子，事實證明這兩種粒子還能被分割為更小的單元：夸克和膠子。時至今日，我們已經(jīng)認(rèn)識到，人類所知的所有物質(zhì)都是由大量的確不可分割的粒子構(gòu)成：六種夸克和六種反夸克，并各自攜帶三種色荷；三種帶電的輕子和三種電中性的輕子（中微子），以及它們的反粒子；八種代表強相互作用力（強核力）的膠子；代表電磁力的光子；代表弱核力的W和Z玻色子；以及只有單獨一種的大質(zhì)量粒子希格斯玻色子，它與其他所有基本粒子相互作用而讓其他粒子具有質(zhì)量。這些就是標(biāo)準(zhǔn)模型里的基本粒子和相互作用，它們可描述已知的世間萬物，除了一小部分值得注意的例外（比如引力、暗物質(zhì)和暗能量的存在及性質(zhì)、宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的起源，以及其他更神秘的現(xiàn)象）。標(biāo)準(zhǔn)模型能夠非常完美地解釋我們在實驗中觀測到的現(xiàn)象和得到的結(jié)果，并對這些基本粒子以及它們之間的相互作用、截面、振幅和衰變率做出準(zhǔn)確的預(yù)測。然而，這本身就是最大的問題。對于基礎(chǔ)物理學(xué)而言，的確存在一些無法解釋的問題，因此物理學(xué)家對大型強子對撞機（LHC）的實驗結(jié)果寄予厚望。這些問題如下，包括前面提到的幾個：暗物質(zhì)是由什么構(gòu)成的？代表暗物質(zhì)的粒子是什么？我們?yōu)槭裁茨軌蛟谌跸嗷プ饔弥锌吹接罘Q不守恒，但卻沒能在強相互作用發(fā)現(xiàn)它的蹤跡？物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性和與其相關(guān)的重子數(shù)不守恒的本質(zhì)是什么？為什么基本粒子的能量（介于1 MeV 和 180 GeV之間）比普朗克尺度（1019 GeV）竟小那么多？如果我們只有標(biāo)準(zhǔn)模型，那么是找不到上述問題的答案的。但是，標(biāo)準(zhǔn)模型有很多擴展理論，它們給我們帶來了曙光。我們設(shè)計出的所有圖景，對上述問題的解答都有兩個共同點：1.它們指出，當(dāng)我們大量制造不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子時，會看到它們發(fā)生形式與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言不符的衰變，這樣的特殊衰變會重復(fù)出現(xiàn)，而且統(tǒng)計顯著度很高。2. 它們預(yù)測，在能量足夠高的情況下一定還存在標(biāo)準(zhǔn)模型尚未發(fā)現(xiàn)的、新的（不可分割的）基本粒子。超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理理論的候選者包括超對稱模型、technicolor模型、額外維等等。但是，與理論物理學(xué)家不同，在實驗物理學(xué)家看來，一個候選理論要能留下可通過實驗探測的證據(jù)，才是有價值的。對于LHC而言，這意味著，用來檢驗這些理論的實驗必須足以發(fā)現(xiàn)衰變率偏離標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的現(xiàn)象。比方說，如果標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測，一個粒子衰變?yōu)橐粋€子的分支比是1.1 10-6，衰變?yōu)橐粋€子的分支比為1.8 10-5，那么實驗就必須制造至少數(shù)千萬個粒子并且對其衰變進行精確的觀察。如果你“只”制造出1千萬個粒子，且觀測到它們中的180個衰變?yōu)樽樱?4個衰變?yōu)樽?，那么你還不能宣稱已經(jīng)找到了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。因為你的統(tǒng)計量還不夠大。目前，我們制造出最重的基本粒子希格斯玻色子和頂夸克，并進行了詳細測量的事件只有數(shù)千例，由此可見，通過實驗發(fā)現(xiàn)新物理的難度高得不可思議。如果我們能夠搭建一個制造這些粒子的“工廠”，那么我們就能夠以任意精度測量它們的衰變率，一些科學(xué)家提議建造的高能正負(fù)電子對撞機國際直線對撞機ILC（International Linear Collider）就能完成這樣的任務(wù)。但是，只有等LHC發(fā)現(xiàn)了非標(biāo)準(zhǔn)模型衰變存在的確鑿證據(jù)或者新粒子后，才有可能建造這樣的加速器。而且用來解決上述問題的理論要能成功預(yù)言這二者。問題是，目前超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)的證據(jù)極為軟弱無力：按粒子物理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，這類證據(jù)的統(tǒng)計顯著度是微不足道的。這些初步結(jié)果令人興奮是因為真的沒有別的可以興奮的了。如果LHC只發(fā)現(xiàn)了一個希格斯粒子，那么要么就是超對稱理論錯了，要么就是LHC的能量級別并不足以解決它原計劃研究的問題。此外，如果在LHC的探測能量范圍低于23 TeV的能量水平上沒有探測到如果存在就應(yīng)該被LHC探測到的新粒子，那么，在能量級別達到100000000TeV前都不會有新發(fā)現(xiàn)的假設(shè)也就顯得合乎情理了。運用現(xiàn)有技術(shù)，即使繞地球赤道一圈建造一個最大功率的粒子加速器，也無法達到那么高的能量。毫不夸張地說，在接下來的幾年內(nèi)，你將見到許多探討“我們發(fā)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理的最初跡象了嗎？”的文章、報告和演講。如果答案是“還不確定”，這是否說