LHC，遭遇危機(jī)

holisho

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)設(shè)備（LHC）是一臺(tái)埋設(shè)在法國-瑞士邊境地下的環(huán)形裝置，這個(gè)加速器重達(dá)5萬噸，埋設(shè)深度約100米，有27千米長(zhǎng)，耗資約80億美元。有來自50多個(gè)國家的超過6 000名物理學(xué)家在那里工作，其中包括100多名中國研究人員。

“LHC又發(fā)現(xiàn)了新粒子”“LHC發(fā)現(xiàn)粒子名單出爐”……世界各大媒體都對(duì)它懷著巨大的期待。2007年5月，《紐約時(shí)報(bào)》以《向物理學(xué)最重大疑問大步挺進(jìn)》為題對(duì)LHC做詳細(xì)介紹，文中不乏這樣的詞匯：“他們已然準(zhǔn)備就緒，重現(xiàn)宇宙誕生的景象。一次，再次，又一次……事實(shí)上，每秒3千萬次，讓宇宙一次又一次地誕生著。”但是，近年來LHC頻頻遭遇信任危機(jī)。

轉(zhuǎn)折，一個(gè)消失不見的信號(hào)

2015年12月16日，LHC所屬的兩大探測(cè)器超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊u子線圈（CMS）團(tuán)隊(duì)都發(fā)現(xiàn)了一對(duì)超高能光子，它們共帶有高達(dá)750GeV（能量單位，表示十億電子伏特。電子伏特代表1個(gè)電子在經(jīng)過1個(gè)伏特的電場(chǎng)加速后所獲得的動(dòng)能）的能量。要知道現(xiàn)在已知最重的基本粒子頂夸克的能量也只不過173GeV而已。如此強(qiáng)大，且同時(shí)在兩個(gè)獨(dú)立探測(cè)器上顯現(xiàn)的信號(hào)，以前從未出現(xiàn)過。于是科學(xué)家群情激昂。為了探討這一可能變革帶來的各種后果，幾個(gè)月間，他們發(fā)表了 500多篇論文。

然而，在2016年采集的數(shù)據(jù)中，這個(gè)信號(hào)卻消失了……怎么可能？是計(jì)算出了問題還是分析出了問題？哪根線搭錯(cuò)了？都不是。物理學(xué)家認(rèn)為，只怪他們的運(yùn)氣太糟。要知道，ATLAS團(tuán)隊(duì)的出錯(cuò)概率只有不到兩萬分之一，CMS團(tuán)隊(duì)則只有不到三千分之一。

2016年8月5日，在美國芝加哥召開的第38屆國際高能物理研討會(huì)上，LHC團(tuán)隊(duì)共同宣布，所謂的發(fā)現(xiàn)新粒子只是一個(gè)幻象。“這是場(chǎng)噩夢(mèng)”“這是一記重拳”“真是頭痛”，那天，希望最終變成了失望，大部分物理學(xué)家的反應(yīng)都充滿困惑和失望。這些理論家曾相信，鑒于它的強(qiáng)大功率，LHC應(yīng)能為某種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的假說提供證據(jù)。40年來，科學(xué)家提出了多種此類假說：超對(duì)稱、額外維度、第五種基本力……的確，標(biāo)準(zhǔn)模型的弊病眾所周知：它無法解釋85%的宇宙物質(zhì)，無法解釋宇宙中不存在反物質(zhì)，也無法解決中微子的質(zhì)量問題。所有這些謎團(tuán)本應(yīng)在巨大的圓環(huán)中找到答案：比如一些未知粒子。因此在過去的幾個(gè)月間，專家們非常渴望一種新粒子能夠成為其中的第一個(gè)。那么現(xiàn)在呢？如果LHC果真一無所獲，就不得不否定科學(xué)家?guī)资陙頌橥黄茦?biāo)準(zhǔn)模型所做的理論工作！

能量，到達(dá)設(shè)計(jì)極限

然而，LHC目前已經(jīng)達(dá)到其設(shè)計(jì)能量極限，要進(jìn)一步尋找新粒子，需建設(shè)能量和精度更高的機(jī)器。這或許是30年前該項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初，唯一一件沒人預(yù)料到的事情。

我們知道，大部分物質(zhì)由分子、原子構(gòu)成（還有部分等離子物質(zhì)），原子由質(zhì)子、中子組成的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。而質(zhì)子和中子都由夸克和膠子組成，之后就沒有發(fā)現(xiàn)更深層次的結(jié)構(gòu)了，因此夸克、膠子和電子被稱為基本粒子。在物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的62種基本粒子中，其他61種都已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了存在，只有希格斯玻色子仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。如果它們就存在于我們身邊的話，為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡？實(shí)際上，每1012次的質(zhì)子對(duì)撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯玻色子。更麻煩的是，這種粒子一旦產(chǎn)生，十億分之一秒后就會(huì)衰變成光子和強(qiáng)子等其他粒子。由于它難以尋覓又極為重要，因此也被稱為“上帝粒子”。2012年，科學(xué)家宣布利用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。

實(shí)際上，除了長(zhǎng)期主導(dǎo)但并不完整的粒子物理“標(biāo)準(zhǔn)模型”中已有的成員，這臺(tái)機(jī)器的對(duì)撞至今沒有“召喚”出任何全新粒子。在對(duì)撞殘骸中，物理學(xué)家沒有找到能夠組成暗物質(zhì)的粒子，沒有希格斯玻色子的兄弟姐妹，沒有額外維度存在的跡象，沒有輕子夸克——最重要的是，也沒有人們苦苦尋找的超對(duì)稱粒子。讓科學(xué)界考慮30年，卻沒有驗(yàn)證一項(xiàng)正確的預(yù)測(cè)讓人們能看到，這不免讓科學(xué)家大失所望。

噩夢(mèng)？一無所獲

粒子可能隱藏在各種邊緣角落。比方說，如果標(biāo)量頂夸克和最輕的超中微子（超對(duì)稱理論中的暗物質(zhì)候選者）恰巧具有幾乎相同的質(zhì)量，它們可能至今還隱藏著。這是因?yàn)楫?dāng)撞擊產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)量頂夸克并衰變出一個(gè)超中微子時(shí)，只有很少的能量會(huì)以運(yùn)動(dòng)的形式釋放。肯定還會(huì)有其他發(fā)現(xiàn)？但是越來越多的專家卻預(yù)感，LHC這個(gè)龐然大物可能終將一事無成。這確實(shí)不是一個(gè)好消息。我們必須正視這種可能性，因?yàn)榭赡苄哉诖蠓黾印Ｋ^只是驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型而已的說法越來越可信了。

新物理的缺失加深了自2012年就產(chǎn)生的危機(jī)，當(dāng)時(shí)LHC第一次運(yùn)行，證實(shí)了8TeV（能量單位，表示兆億電子伏特）撞擊將不會(huì)產(chǎn)生任何超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理（那一年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，而非它的擴(kuò)展）。仍舊可能有一個(gè)救星粒子在前年晚些時(shí)候或去年出現(xiàn)，或許，當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累，會(huì)在已知粒子身上發(fā)現(xiàn)細(xì)微的驚喜，間接提供新物理的線索。但理論學(xué)家們已經(jīng)逐漸開始準(zhǔn)備接受“噩夢(mèng)場(chǎng)景”了，那就是LHC根本無法把我們引向一個(gè)更加完整的自然理論。

信任，遭遇危機(jī)

盡管我們?nèi)匀徽J(rèn)為科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以由一位天才在自家地下室的實(shí)驗(yàn)室里獨(dú)力完成，但事實(shí)上，為了能把質(zhì)子加速到光速的99.9999991%，讓其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量達(dá)到靜止質(zhì)量的7 000倍。整個(gè)LHC對(duì)撞系統(tǒng)裝備有9 300塊磁鐵，并被冷卻至-271.25℃。驅(qū)動(dòng)這些探測(cè)器所需的電力供應(yīng)是驚人的，幾乎相當(dāng)于北京市所有家庭用電的總和。LHC耗資大約80億美元，其后每年所需的經(jīng)費(fèi)約為2.86億美元。事實(shí)上每年僅電費(fèi)消耗就達(dá)2 350萬美元。要維持大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每年的預(yù)算開支至少達(dá)10億美元。

沒有成果，如果LHC在未來20年內(nèi)能做到的只不過是驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型，研究人員又如何說服決策者和其他領(lǐng)域的同事繼續(xù)這項(xiàng)工作呢？拿什么理由來提出建造下一代對(duì)撞機(jī)的計(jì)劃，或者更直接，要如何吸引青年才俊繼續(xù)投身這一研究領(lǐng)域？

它曾有機(jī)會(huì)掀起一場(chǎng)革命。現(xiàn)在，似乎一切討論都結(jié)束了，LHC的葬禮或許又開啟了一個(gè)新紀(jì)元。如果標(biāo)準(zhǔn)模型是完美無缺的，那么剩余給后代的理論物理學(xué)家的事業(yè)，真的稀少而枯燥了。不過人類這種企圖以一種理論的建構(gòu)而一勞永逸的夢(mèng)想有過多次，但是都最終驚醒。標(biāo)準(zhǔn)模型如果存在無法彌補(bǔ)的漏洞，那么對(duì)于年輕的物理學(xué)家們，并不是一件壞事，反而可以說是理論物理學(xué)春天到來了。