LHC是實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)的盡頭嗎

1、LHC是實(shí)驗(yàn)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(cè)量精度罷了。開爾文爵士19世紀(jì)末 ,我們對(duì)物質(zhì)世界的根本認(rèn)識(shí)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(shí)證明這兩種粒子還能被分割為更小的單元：夸克和膠子。時(shí)至今日 ,我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到 ,人類所知的所有物質(zhì)都是由大量確實(shí)不可分割的粒子構(gòu)成：六種夸克和六

2、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(qiáng)相互作用力強(qiáng)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(dú)一種的大質(zhì)量粒子希格斯玻色子 ,它與其他所有根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)模型里的根本粒子和相互作用 ,它們可描述的世間萬物 ,除了一小局部值得注意的例外比方引力、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(duì)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的現(xiàn)象和得到的結(jié)果 ,并對(duì)這些根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(cè)。然而 ,

3、這本身就是最大的問題。對(duì)于根底物理學(xué)而言 ,確實(shí)存在一些無法解釋的問題 ,因此物理學(xué)家對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果寄予厚望。這些問題如下 ,包括前面提到的幾個(gè)：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(qiáng)相互作用發(fā)現(xiàn)它的蹤跡？物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性和與其相關(guān)的重子數(shù)不守恒的本質(zhì)是什么？為什么根本粒子的能量介于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(kuò)展理論 ,它們給我們帶來了曙光。我們?cè)O(shè)計(jì)出的所有圖景 ,對(duì)上述問題的解答都有

4、兩個(gè)共同點(diǎn)：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(shí) ,會(huì)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(huì)重復(fù)出現(xiàn) ,而且統(tǒng)計(jì)顯著度很高。2. 它們預(yù)測(cè) ,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、新的不可分割的根本粒子。超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理理論的候選者包括超對(duì)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(shí)驗(yàn)物理學(xué)家看來 ,一個(gè)候選理論要能留下可通過實(shí)驗(yàn)探測(cè)的證據(jù) ,才是有價(jià)值的。對(duì)于LHC而言 ,這意味著 ,用來檢驗(yàn)這些理論的實(shí)驗(yàn)必須足以發(fā)現(xiàn)衰變率偏離標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。比方說 ,如果標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè) ,一個(gè)粒子衰變?yōu)橐粋€(gè)子的分

5、支比是1.1 × 10-6 ,衰變?yōu)橐粋€(gè)子的分支比為1.8 × 10-5 ,那么實(shí)驗(yàn)就必須制造至少數(shù)千萬個(gè)粒子并且對(duì)其衰變進(jìn)行精確的觀察。如果你“只制造出1千萬個(gè)粒子 ,且觀測(cè)到它們中的180個(gè)衰變?yōu)樽?,14個(gè)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?yàn)槟愕慕y(tǒng)計(jì)量還不夠大。目前 ,我們制造出最重的根本粒子希格斯玻色子和頂夸克 ,并進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量的事件只有數(shù)千例 ,由此可見 ,通過實(shí)驗(yàn)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(gè)制造這些粒子的“工廠 ,那么我們就能夠以任意精度測(cè)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(duì)撞機(jī)國際直線對(duì)撞機(jī)I

6、LCInternational 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)模型衰變存在確實(shí)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(jì)顯著度是微缺乏道的。這些初步結(jié)果令人興奮是因?yàn)檎娴臎]有別的可以興奮的了。如果LHC只發(fā)現(xiàn)了一個(gè)希格斯粒子 ,那么要么就是超對(duì)稱理論錯(cuò)了 ,要么就是LHC的能量級(jí)別并缺乏以解決它原方案研究的問題。此外 ,如果在LHC的探測(cè)能量范圍低于23 TeV的能量水平上沒有探測(cè)到如果存在就應(yīng)該被LHC探測(cè)到的新粒子 ,那么 ,在能量級(jí)別到達(dá)100000000TeV前都不會(huì)有新發(fā)現(xiàn)的假設(shè)也就顯得符合情理了。運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù) ,即使繞地球赤道一圈建造一個(gè)最大功率的粒子加速器 ,也無法到達(dá)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(bào)告和演講。如果答案是“還不確定 ,這是否