碰撞的哲學(xué)——搜尋粒子蹤跡有新招

■ 宋宜真

讓粒子對撞的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是歐洲核子研究組織的閃耀新星。大型強(qiáng)子對撞機(jī)會不會撞出暗物質(zhì)、微型黑洞或其他奇特物質(zhì)，尚在未定之?dāng)?shù)。但無論如何，要想預(yù)測最后出現(xiàn)的東西為何，都是一項絕頂困難的任務(wù)。現(xiàn)在，有一種方法可以分析對撞后的數(shù)據(jù)，協(xié)助物理學(xué)家確認(rèn)他們沒有遺漏掉重要訊息，只是這個方法尚未獲得普遍認(rèn)可。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)和其他加速器（例如美國費(fèi)米國家實驗室的正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)）都是將質(zhì)子或其他粒子加速到接近光速后再對撞。根據(jù)愛因斯坦的E＝mc2公式，部分對撞的能量會轉(zhuǎn)換為稀有的重粒子，然后幾乎都會立即衰變?yōu)樯习賯€一般粒子（已辨認(rèn)出其中幾十種不同的類型）。大型強(qiáng)子對撞機(jī)的大型偵測器會記錄這些撞擊碎片的行進(jìn)路徑，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。這些大型偵測器的運(yùn)算速度非常驚人，相當(dāng)于在1秒內(nèi)計算完整個光盤的容量。

在這些衰變產(chǎn)物的數(shù)據(jù)中，物理學(xué)家也會針對可能生成新粒子的部分進(jìn)行搜尋。他們會找尋希格斯玻色子的信號（根據(jù)物理學(xué)家的預(yù)測，這種粒子會賦予其他粒子質(zhì)量。不過截至目前都還沒找到），以及有可能出現(xiàn)在更高能物理定律中的新粒子。

但有些人擔(dān)心，這種傳統(tǒng)方式跟逐步搜尋“希”、“格”、“斯”三個字來進(jìn)行計算機(jī)運(yùn)算沒什么不一樣，最后可能還是會遺漏一些有趣、未曾預(yù)料的新信息。費(fèi)米實驗室的可努特森和馬瑞納，這些年來則不斷提倡一種更為全面的“全方位搜尋”方法。他們找尋的并非單一信號，而是以程序分析所有數(shù)據(jù)之后，與標(biāo)準(zhǔn)模型（包含了整套粒子物理的定律）的預(yù)測進(jìn)行比較。軟件會標(biāo)示出所有偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)，表示這里有可能出現(xiàn)新的粒子。若拿文字搜尋的計算機(jī)演算來比擬，這種方式不是在文字中尋找特定字，而是先搜尋出所有字典中沒有的字，然后再標(biāo)示出其中看起來可能是生字的字。

為了將錯誤率降至最低（有時候一般粒子會有模仿其他新粒子的行為），物理學(xué)家設(shè)下了一個門檻，他們只觀察發(fā)生次數(shù)高過這個門檻的特異事件，因為這些比較可能出現(xiàn)新粒子。可努特森說：“我們會觀看許多不同的位置，然后都算進(jìn)去。”

可努特森和馬瑞納等人將這個方法應(yīng)用在正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)得出的舊數(shù)據(jù)。原則上，可能有些奇特的粒子是在之前目標(biāo)導(dǎo)向的搜尋中沒找到的，但最后他們的團(tuán)隊沒有發(fā)現(xiàn)任何統(tǒng)計上相關(guān)的特異現(xiàn)象，因此宣布沒有新發(fā)現(xiàn)，不過這項工作至少說明一件事：運(yùn)用全方位搜尋，未必會如某些學(xué)者擔(dān)心的那樣導(dǎo)致眾多錯誤結(jié)果。可努特森表示，這項實驗也是目前為止對標(biāo)準(zhǔn)模型最嚴(yán)格的測試，而他在該實驗之后便不再使用目標(biāo)導(dǎo)向的搜尋方式。這項實驗結(jié)果發(fā)表在2009年1月的《物理評論D》上。