高能物理的絕唱

王孟源

現代高能物理始于1940年代的量子場論（Quantum Field Theory），最初的應用是以量子電動力學（Quantum Electro-Dynamics，QED）來解釋電磁力。

在1950年代，加速器的技術突飛猛進，數以百計的高能粒子被發現；物理學家在整理這些粒子的時候，注意到各種對稱性（Symmetry），其中最深奧困難也最重要的是規范對稱性（Gauge Symmetry）。其實QED本身就是一個規范場論，但是它只是規范場論中最簡單的一種，叫可交換規范場論（Abelian Gauge Theory）。

1954年，楊振寧和他的學生米爾斯（Robea Mills）解決了非交換規范場論（Non-Abelian Gauge Theory）的難題，高能物理理論界隨即注意到用非交換規范場論來解釋弱作用力和強作用力（宇宙中只有四種作用力：電磁力、弱作用力、強作用力和重力）的可能，但是具體的細節還不清楚。

1961年，當時在哈佛大學物理系的格拉肖（Sheldon Glashow）領悟到電磁力和弱作用力如何混合起來的機制。1967年，薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（Steven Weinberg）把1964年定型的希格斯機制（Higgs Mechanism）加入格拉肖機制，確立了完整的電弱理論。在1973—1974年間，有關強作用力的基本難題也被一一突破，從此高能物理界有了一套完整的理論體系來描述除了重力以外的所有作用力，它被稱為標準模型（Standard Model）。

在其后40多年里，標準模型的成功超出了任何物理學家的意料之外。所有量化的實驗和觀測都符合標準模型的預測；然而標準模型卻又很明顯地不是一個完整的理論。姑且不論它所需的幾十個特定參數值，首先它先天上就不包含重力。超弦原本的動機便是要把重力統一起來，在浪費了30年卻只得到一坨污爛之后，不肯把靈魂賣給超弦的物理學家已經理解到，即使是圈量子重力論（Loop Quantum Gravity）這類還沒有像超弦一樣被證明是完全沒有預測能力的重力理論，它的預測也必然會比現代加速器的能階（Energy Level）高出十幾個數量級（Order of Magnitude），因此它的可預測性仍然是幾百年內都無法用實驗來檢驗的。所以在最近幾年，大家（亦即還在做科學而不是只做論文的高能物理學家）的共識是重力太難了，還是先擺在一邊吧。既然必須接受欠缺重力的事實，標準模型里的參數值也當然是目前不可能解釋的了。

但是即使不管重力和參數值，標準模型還是有其他的毛病。其中最重要的有三項：（1）它不包含暗物質（暗能量顯然是和重力有關的，所以目前管不到）；（2）它不能解釋為什么宇宙里的物質和反物質沒有對消近凈；（3）它不含有能驅動宇宙暴脹（Cosmic Inflation）的暴脹子（Inflaton）。現在理論學家（Theorists）實在是想不出什么好主意了（否則也不會讓超弦騙走這么多人），真正的希望還是要靠實驗。而實驗要探索更高的能階有兩個辦法，一個是靠精密測量很小的修正值；另一個則是建造更大型的加速器，以蠻力來產生更高能的粒子。前者一般比較便宜，但是往往只能探測參數空間（Parameter Space）里的小小一隅；真正要產生詳盡的資料，最理想的還是更大的加速器，而現在最大最先進的加速器就是歐洲核子研究機構（Organisation Europeene pour la Recherche Nucleaire，CERN）位于日內瓦的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）。

LHC自1998年至2008年，共花費了十年才建成，總預算是75億歐元（約90億美元）。由于選錯了焊接工藝，2008年9月開機后9天，超導電磁鐵的電路就燒壞了。其后用了一年多才修好，但是只能以原設計能量（14 TeV）的一半（即7 TeV）運行。不過還好希格斯粒子質量（125 GeV）不太高，在2013年LHC就有了足夠的實驗資料來證實這個發現，希格斯（Peter Higgs）和同僚隨即獲頒當年的諾貝爾物理獎。可是希格斯粒子是標準模型的（最后）一部分，當初計劃LHC時，發現希格斯粒子是最起碼的標的。真正的目的是要發現標準模型以外的粒子，尤其是超對稱粒子（Supersymmetric Particles）。超對稱（supersymmetry）是超弦所做的幾十個假設里，最重要也是最基本的一個，甚至連超弦名字里的“超”都是由超對稱而來的（Super-String其實是Supersymmetric String的簡稱）。原本1970年代發明超對稱是為了解釋標準模型所需的幾十個特定參數值間的一些關系，不過后來大家發現即使是最簡單的超對稱模型都需要另外幾百個新的參數，于是有些人（包括我）就不再相信超對稱，而威騰（Witten）和他的信徒（把超弦比為宗教并不是我的發明，超弦界自己在20年前就戲稱威騰為教宗）則加倍下注，搞出了更復雜、最終有10^500個自由度的超弦。在1990年代，做超弦的個個都說最輕的超對稱粒子會馬上被Tevatron（位于芝加哥附近的費米實驗室內的上一代加速器，最高總能量在2011年停機前達到了2 TeV）發現，所以LHC只是用來研究更重的那幾百個超對稱粒子的。結果此后每年Tevatron和后來的LHC的能量和亮度（Luminosity，即對撞實驗的數量）提高一步，做超弦的就把最輕的超對稱粒子的質量往上調高一步，以解釋為什么沒有觀察到超對稱。到2013年LHC做完7 TeV能階的實驗后，超對稱理論的原始參數空間已經有99.9%被否定掉了。

LHC在過去兩年關機，以便完全重建超導電磁鐵的電路。在未來幾周內將重新啟動，預計今年夏天可以達到接近原設計值的13 TeV能階。如果沒有意外，到年底將會把超對稱理論的原始參數空間再壓縮兩個位數，也就是否決掉99.999%。當然，做超弦的在過去20年已經自打嘴巴幾百次，再胡扯出幾千篇神話、重寫一次歷史也只是他們的專業。高能物理眼前真正的危機是LHC很可能無法超越標準模型。下一代的加速器目前臺面上的估價是200億美元，實際上大家都知道會超過500億。更糟糕的是LHC至少還保證有希格斯粒子來當安慰獎，下一代的加速器卻很可能什么都找不到。高能物理界在2014年開始游說中國政府，估計成功機率不大。如果到年底LHC還沒有發現新粒子（當然，發現超對稱粒子的機率是100%-99.9%=0.1%，所以希望只能寄托在其他的新粒子上），那么我們這代人到死大概都不會再有更高階的加速器（不含能階略低于LHC，用來精密測量希格斯粒子的電子/正子直線對撞機）出現。前面提到除了加速器以外，精密測量也有可能突破標準模型；可是我的猜測是只有暗物質比較可能會如此被發現，而且機率不超過25%，這還包含了暗物質是一種中微子（Neutrino，標準模型只包含三種中微子，若有第四種則將超越標準模型）或軸子（Axion，不是標準模型的一部分）的可能，而新的中微子或軸子雖然超越標準模型，卻并不解釋更高能階的物理。所以總結來說，2015年很有可能是高能物理對我們這代人的絕唱。