大型粒子對撞機又開始運行，科學家說這依然是個艱難時刻

瑞士梅蘭電 - 世界上最大最昂貴的時間機器又開始運行了。

日內瓦郊外、法瑞邊境的田野和購物中心地下，大型粒子對撞機內，被稱為質子的亞原子微粒沿著長達 27 公里的電磁軌道飛行，以光速互相碰撞，重新創造出宇宙剛誕生萬億分之一秒時的情況。

約 5000 名學家重回歐洲核研究機構——歐洲核子研究組織（CERN）工作，觀測電腦篩選撞擊產生的碎片，試圖找到新的微粒和自然的力量，他們計劃在接下來的至少 20 年裡都堅持這一工作。

歐洲核研究組織（CERN）僱傭了代表著 22 個成員國的數千名科學家，只為搞清楚宇宙的起源。緊湊渺子線圈（CMS）是項目現場的七個探測器之一。圖片版權：Leslye Davis/《紐約時報》

哈佛大學物理學家麗薩·蘭德爾（Lisa Randall）在自己關於粒子物理的新書的標題里這樣寫道：科學正在叩響天堂的大門。

但如果沒人來開門呢？如果沒有什麼新東西好發現了呢？目前這一預測如同一團烏雲，籠罩在物理學界的頭頂。

自從 2012 年對撞機發現能解釋為什麼一些元素粒子擁有質量的希格斯玻色子以來，已經過去了五年，進行了超過七百萬的四次方次質子對撞。發現希格斯粒子的成就完善了一個被稱作是標準模型（Standard Model）的複雜體系，完結了物理學中的一個重要篇章。

2015 年對撞機的一項數據暗示了一種新粒子的存在，在其作為自然的一次僥倖現象而消失在背景噪音中之前，激發了大量的理論文章。但從那次以後，科研前線的安靜卻給人一種不詳的預感。

「這一領域中最好的感覺就是迷茫，最差的則是抑鬱。」法國奧賽物理理論實驗室（Laboratoire de Physique Théorique d』Orsay）的粒子物理學家亞當·福考斯基（Adam Falkowski）在最近的一篇寫給《推理》（Inference）期刊的文章中說。

「對於理論物理學家來說，這是個艱難的時期。我們的希望好像已經破碎了，我們沒能找到想要的東西。」歐洲核子研究組織理論部的主任吉安·朱迪切（Gian Giudice）說。

歐洲核子研究組織約翰·艾利斯（John Ellis）辦公室里的一名「物理學家」。Susy 的意思是超對稱（supersymmetry）。圖片版權：Leslye Davis/《紐約時報》

世界上的物理學家們渴求了近三十年的東西，是和超對稱現象有關的任何跡象，這一現象就好像是一個近在咫尺的金蘋果，是現實核心裡所隱藏的一種數學美感。

理論學家在 1970 年代假設了攜帶電磁或者光的光子等粒子之間的關係，以及構成物質的基本元素粒子——電子和夸克。

如果超對稱的理論是正確的，那麼應該有全新的一系列元素粒子待發現，這些粒子被稱為夸克和電子，以及其他我們已知和喜愛的粒子的超級伴侶（super-partner）。大量這些粒子從大爆炸中產生。除此之外，它們還可能組成被天文學家認為組成了四分之一宇宙、其引力控制著銀河系命運的神秘暗物質。

對撞機是從愛因斯坦關於物質和能量的等式中獲得的靈感。當一對質子在大型粒子對撞機中相撞，它們將重新製造出創造了宇宙的大爆炸的極微小版本。不管從這些能量中誕生了怎樣形態的物質（宇宙伊始之際擁有影響的粒子和力），它們都可以通過電子探測器和電腦得到重現和短暫的展示。

每當對撞機稍有一些富餘能量時，科學家們都可以去探尋時間的王國、自然和我們毫無經驗的事情，然後就能稍微接近一點現實背後的數理機制。

大型離子對撞機被用來對撞每一顆都具有 7 萬億電子伏特能量的質子，把科學帶回宇宙大爆炸伊始時的萬億分之一秒。物理學家們知道，這就足以讓他們來發現希格斯粒子，或者證明希格斯粒子不存在了。很多理論學家也曾希望超對稱粒子能在 2010 年啟動大型粒子對撞機的時候就出現。根據一些理論，實際上這種神秘的粒子可能出現得更早，在對撞機的前輩設備中就發現。

而現在正如《紐約時報》 1993 年的頭條：「315 名物理學家都未能找到超對稱粒子。」

到現在他們依然沒能成功。五月的時候，儘管對撞物質的總量達到了幾乎 2 千億電子伏特，但由 3000 名物理學家監測的 Atlas 探測器（歐洲核子研究組織隧道中兩個主要的探測器之一）也沒有發現超級粒子的蹤跡。

歐洲核子研究組織的 Atlas 探測器，這台探測器幫助科學家們在 5 年前發現了希格斯粒子。圖片版權：Leslye Davis/《紐約時報》

與此同時，在其他的實驗中，被用在尋找據推測漂浮在宇宙中（也穿過我們的身體）的暗物質的努力也宣告失敗，理論學家也開始轉向研究更加複雜的想法，探究自然在暗物質中如何運作。

去年，一些科學家在哥本哈根聚會，用昂貴的白蘭地來償還賭債：他們此前打賭說，到去年應該已經發現了超對稱粒子。

「我的不少同事都絕望了，他們的職業生涯都致力於此。」德國波茨坦馬克思·普朗克引力物理研究所（Max Planck Institute for Gravitational Physics）的赫爾曼·尼古拉（Hermann Nicolai）說。

大型粒子對撞機能發現希格斯玻色子、但找不到其他東西的想法，一直是物理學家們最大的噩夢。這些找不到的東西讓他們無法解釋自己最大的成就：希格斯粒子本身。

根據歐洲核子研究組織的說法，一直在尋找的標準模型的基石玻色子帶有 1250 億電子伏特、或者等同於整個碘原子的能量。但根據理論的計算結果，這實在太輕了。希格斯粒子的質量應該高出百萬四次方的數千倍。

原因是量子奇異現象（quantum weirdness），其原理之一就是凡不被禁止的都會發生。這意味著希格斯的計算結果必須包括了它和所有其他已知粒子的互相作用，包括可以消失和再現的、被稱為虛粒子的粒子。

理論家不得不修改他們的希格斯粒子方程，以及其他直接從標準模型導出的數據。

不過，當所謂的超對稱粒子被插入其中時，奇蹟發生了。它們抵銷了其他粒子的影響，為希格斯粒子留下了一個非常有限的正常質量。理論家表示，這是一種大自然的原理。

超對稱性是一個大致概念，因此人們總是可以提出它的另一個版本。

不是每個人都準備放棄超對稱性，或者接受打賭失敗的結果、償付賭金。

歐洲核子研究中心的控制中心，科學家在這裡分析來自一些實驗室項目的數據。圖片版權：Leslye Davis/《紐約時報》

戈登·凱恩（Gordon Kane）是密歇根大學超弦理論家，在業內以其對超對稱性的樂觀態度著稱。他表示，根據他的計算，當足夠多的數據得到合適的分析時，最輕的超粒子應該出現在大約 1.6 萬億電子伏的位置上。他在一封電子郵件中寫道：「遺憾的是，實驗並沒有進行合理的搜索。」

另一位堅定的支持者是歐洲核子研究中心資深理論家、倫敦國王學院教授約翰·埃利斯（John Ellis），他的實驗室辦公室里展示了一個舉著指示牌的紙板骨架，暗示這就是上一個批評「蘇西」（超對稱性的縮寫）的人的下場。「超對稱性粒子沒有在大型強子對撞機運轉時出現，對此我顯然很失望，」埃利斯說。他還表示，它仍然有許多出現的機會。

希格斯粒子追逐行動的領導人之一、義大利比薩大學教授圭多·托內利（Guido Tonelli）表示：「我們曾一度以為我們可以同時發現希格斯粒子和新的物理現象——這很令人激動。」不過他表示，他不像他的同事那樣對於這件事的失敗感到沮喪：「希格斯粒子符合標準模型，這意味著新的物理現象在能量標尺的更高位置上。我們知道它在那裡，我們只是不知道它會出現在明天還是下一個十年。」

他補充道：「我們需要繼續探索，不要膽怯。」

到 2018 年年末，對撞機將記錄大約 1.5 億億次碰撞。朱迪切博士表示，如果到那時還是無法發現任何跡象，他們需要從頭再來。

「當我們產生困惑時，我們就會進入最佳研究狀態。目前顯然是困惑的時刻，」朱迪切博士說。

「困惑意味著我們有機會發現新思想，」他解釋道。

古迪切博士在黑板上迅速塗抹了幾下，他告訴我們，另外有一種思想是，希格斯粒子的質量不是由某種深層次對稱原則固定的，而是由場和力的持續動態變化固定的。當宇宙在大爆炸期間擴展和演化時，希格斯場（希格斯玻色子是它的一種表現形式）會經歷相變，就像水變成冰一樣。在某個時候，它會固定下來。

「導致希格斯值固定下來的是宇宙的歷史，」 古迪切博士說。不過，這會使希格斯場在很長的時間窗口裡（比宇宙年齡長得多）維持不穩定狀態，並且最終坍縮，毀掉我們所認為的現實。

另一種可能性是許多正統的愛因斯坦主義者非常厭惡的理論。根據這種理論，這些問題數字源自隨機因素。實際上存在著無數個可能的宇宙，它們擁有不同的希格斯粒子質量，不過只有一個宇宙能夠演化出恆星、行星和人類。

歐洲核子研究中心已經開始規劃大型強子對撞機的後繼者：這是一個真正的「巨人」，它將擁有 100 公里的周長，能夠用 100 萬億電子伏的質子進行撞擊。中國也在探索這樣的「大型對撞機」。

全球 LHC 計算網格包含了大型強子對撞機收集的所有數據。自從發現希格斯玻色子以來，已經有超過七千萬億次質子碰撞得到了記錄。圖片版權：Leslye Davis/《紐約時報》

可以達到 14 萬億電子伏的大型強子對撞機被用於發現希格斯玻色子，或者當標準模型在極高能量下失效後可能發現的其他粒子。

被歐洲核子研究中心稱為「未來圓形對撞機」的機器沒有這麼明確的目標，因為根據標準模型，這種更高的能量區間上沒有新的粒子——用術語來說，這是一片「荒漠」。不過，沒有人真的相信沒有提到引力的標準模型是宇宙的終極解釋。

一個令人鼓舞的暗示來自 CERN 最近對於一種奇怪的短命小粒子的研究，這種粒子叫做 B 介子，它的一個特點是以每秒種幾萬億次的頻率在其自身狀態和反物質對立面之間來回翻轉。根據標準模型，這些粒子和它們的「肥胖表兄」 μ 子在以某些途徑衰減時生成電子的概率應當是相同的。不過，根據歐洲核子研究中心 4 月的報告，其對撞機的測量結果顯示，B 介子生成電子的概率明顯低於 μ 子。

物理學家表示，導致希格斯粒子理論質量虛高的量子奇異性在這裡可能也發揮了作用，這意味著可能存在一種質量很大的新粒子，叫做輕子型夸克（leptoquark）。或者，這可能也只是一種偶然性數據。

牛津大學教授、LHCb 合作團體發言人蓋伊·威爾金森（Guy Wilkinson）表示：「不用說，如果這些信號能夠保持穩定，這將是一件極為重要的事情。不過現在下定論還為時過早。」

僅僅六年前，對撞機差一點否認希格斯玻色子的存在，至少標準模型是這樣預測的。科學家準備向公眾解釋，沒有發現希格斯玻色子比發現這種粒子更加令人激動，因為這是另一次獲得創造性困惑的機會。

當然，就在那時，數據圖表中出現了一個小小的突起，那就是神出鬼沒的希格斯玻色子。

費米國家加速器實驗室的物理學家、歐洲核子研究中心某個探測器團隊的領導者喬爾·巴特勒（Joel Butler）表示：「自然可能比我們想像的更加微妙。」

這天上午，站在探測器旁邊的巴特勒表示：「我們花了 50 年時間才找到希格斯粒子。」這台探測器有幾層樓高，被稱為 CMS，位於地下 91 米處。

「在物理學領域，耐心顯然是一種美德，」巴特勒補充道。

翻譯 熊貓譯社 Harry 劉清山

題圖來自Wikimedia Commons

2017 THE NEW YORK TIMES

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