物理研究方向錯了？耗費巨資尋找新粒子無果，下一項革命來自最普通的粒子！
繪圖：Lauren Mortimer
大型強子對撞機（LHC）為我們找到了希格斯玻色子，但在那之後，它似乎在新粒子的尋找道路上遭遇了瓶頸。不少物理學家認為，我們無法從LHC中取得新發現了。
但即便如此，物理學也不會因此止步。在我們最熟悉的質子、電子，以及中微子和μ子中，還藏著我們尚不了解的奇異特性。也許，下一次物理學革命，就在這些常見粒子中出現。
撰文 | Lisa Grossman
翻譯 | 張克文
審校 | 韓晶晶
在2015年那令人激動的幾個月中，通往未知世界的大門被推開了。歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）中的反常數據表明，可能存在一種新粒子，這位出人意料的造訪者意味著我們所知的自然法則需要改變。然而，在得到了更多的數據後，反常現象消失了。門嘎吱一響，又關上了。
這是十分令人沮喪的一件事。當LHC在2012年找到希格斯玻色子時，給標準模型畫上了完整的句號。標準模型是我們現有的關於物質及其運動規律的最好理論。但這個理論還有很多疑問未被解答：不能解釋引力，也無法告訴我們占星系比重如此之大的暗物質的本質，以及希格斯粒子這樣的粒子是怎樣獲得質量的。
LHC確實有很多值得慶祝的地方，但是更小更高精度的探測器可能會是第一個發現新物理規律的。
「標準模型是不完整的，這裡一定還有些我們不知道的東西，」波士頓大學的粒子物理學家李·羅伯茨（Lee Roberts）說道，「但是現在看上去很難再通過LHC發現什麼東西了。」
消極的情緒在蔓延。最近一項調查顯示，在馬德里參加一個研討會的54個物理學家中，有29%的人認為LHC不會發現新東西了。而造一個更大的對撞機即便不是完全不可能，也不怎麼現實，那現在該怎麼辦呢？
答案是向著高精度邁進，而不是高功率。基於這個理念，有一批實驗正在檢查常見的粒子，希望能找到粒子異常行為的極其微弱的信號。而這些反常行為，可能暴露了新物理現象帶來的影響。這類實驗並不容易，但以小搏大，本文介紹的研究有可能打敗那些大型加速器。
多變的中微子：暗示隱藏的相互作用？
標準模型中最著名的反常角色就是中微子。
在標準模型的原始版本中，這些不活躍且多變的粒子是沒有質量的。但在1998年，深埋於日本一座山下，存有50000噸水的實驗裝置卻表明事實並非如此。中微子3種「味道」——電子中微子，μ中微子和τ中微子——超級神岡探測器捕捉到來自大氣層上空的μ子中微子變成了其他兩種。
「中微子振蕩」只有在這三種味具有不同質量的情況下才有可能發生，這也表明中微子都有質量，儘管質量很小。這項發現榮獲2015年的諾貝爾物理學獎。不過，儘管中微子振蕩顯然暴露了標準模型之外的什麼東西，但是究竟是什麼，我們仍不清楚。
「有多種修改標準模型，使之可以解釋中微子振蕩的方法，」超級神岡探測器合作組成員、波士頓大學的艾德·卡恩斯（Ed Kearns）說道，「我們現在主要做的是，將我們所能想到的所有可測量的中微子性質放到一起，仔細檢查，看是否有什麼東西被我們遺漏掉了。」
一種可能的方向是，檢驗中微子和它們的反物質（反中微子）的振蕩方式是否有所不同，也就看中微子是否遵循CP對稱。
標準理論認為大爆炸製造了相等數量的物質和反物質，而且在物理定律中，兩者是等同的。但這不可能是完全正確的。物質和反物質相遇時會湮滅，所以我們生活在由物質主導的宇宙中這一事實，就說明CP對稱一定以某種方式被破壞了。
事實上，我們知道，四種自然力中的弱核相互作用對物質和反物質的效果就不一樣，但是這也不足以解釋為什麼物質佔主導。這表明，還需要一種未知的力來解釋餘下的差異。此外，因為中微子很難通過已知的力相互作用，如果它們受這種新的力影響，那麼其現象應該會更容易被發現。
超級神岡探測器（來源：東京大學宇宙射線研究所）
東京大學超級神岡探測器的水箱還可以檢測到距離其296千米來自日本東海對撞機產生的中微子和反中微子。在2016年7月，這項名為T2K的實驗觀測到了中微子和反中微子不同的振蕩信號。「這基本上可以說是標準的CP破缺現象，」卡恩斯說道，「如果的確存在，你就可以嚴肅思考中微子部分對宇宙物質和反物質不對稱的貢獻。」
然而事情還沒有結束。在其探測到的數百萬個μ中微子中，T2K檢測到32個變成了電子中微子，同時只發現4個反μ中微子轉變為了相應的反電子粒子。這還不足確定無疑地說CP對稱被破壞了。T2K仍然在收集數據，美國的一個同類型的、叫為NOvA的實驗應該有助於證實T2k的結果。
中微子還能通過其他方式向我們展示新物理。除了T2K實驗的結果，中微子還可能在另一個方面讓我們大吃一驚，它們有可能是自己的反粒子，這種性質會在一種很罕見的放射衰變中展現出來。或者，有可能證明存在第四種，更加不活躍的「惰性」中微子，這種粒子比LHC中產生的任何粒子都要重，同時也是暗物質的有力候選者。
壓縮的電子：檢查電子的無瑕形狀
因為我們一直在擺弄這兩種粒子，在我們看來電子和中子應該沒有秘密。所以關於這些平凡粒子的任何意外都意義重大。
標準模型預言它們是完美的球形。但任何一種未知的奇異粒子都可能對這些普通粒子產生一些細微的效應，擠壓或者拉扯它們，使其偏離球形。具體來說，它們會產生電偶極矩：粒子中的正電荷和負電荷會略微分開一點。
「如果你測到了電偶極矩，那你毫無疑問地知道這就是新物理，」西雅圖華盛頓大學的Brent Graner說。這使得電偶極矩成為一個十分有吸引力的目標，特別是對一些預算很少的物理學家，因為尋找電偶極矩的實驗相對來說能標較低，耗資較少。
其訣竅是仔細測量名為自旋的性質。就像旋轉的陀螺由於重力所加的力矩而輕微晃動一樣，具有電偶極矩的粒子也會在電場中晃動。問題是這個晃動非常細微，所以極難檢測到。
通過使用超冷態氧化釷分子來放大變形，哈佛大學的冷分子電子電偶極矩實驗（ACME）對電子的球形形狀做了目前為止最為精確的測量。在2013年，該實驗室發現，電子的電偶極矩小於10^-28 ecm，ecm是電子電荷量乘以厘米，是一個量度正負電荷偏離程度的單位。
ACME團隊成員，耶魯大學的David DeMille做了另一個類比：如果電子是地球大小，它的形狀與完美球形的偏差，就相當於把球頂部的10納米薄片削下放到球底部一樣。這個團隊現在還在改進實驗，以提高其敏感度。
與此同時，美國橡樹嶺國家實驗室的nEDM實驗正在檢測中子。之前的一系列實驗表明，中子與完美球形的偏差是萬億分之一。nEDM將實驗裝置安放於超流氦中，使其精度又提高了100倍。這使得實驗團隊可以增強施加在中子上的電場，並降低中子的速度，從而大大提高觀測到中子偏離球形的幾率——如果它的確不是完美球形的話。
在西雅圖，Graner的實驗在觀察汞原子。還有人建議觀察質子的電偶極矩，來搜尋一種名為軸子的假想暗物質粒子。
這些實驗針對的都是LHC可能無法直接觀測到的粒子效應。LHC主要靠質子相撞，創造出短暫存在的大質量粒子，科學家可以根據根據這些粒子留下的殘骸辨認出它們。能量更高，就能產生質量更大的粒子。然而，即使是在設計能達到的最高能標，LHC能找到的最重粒子也只是4~5TeV，DeMille說。
與之不同的是，以ACME現有的敏感度，它可以探測到質量達到7~8TeV的粒子，如果真存在這類粒子的話。該團隊提出的改進方案可以進一步擴展探測極限，從而看到質量高達40TeV的粒子。更進一步的調整甚至可能達到100TeV。
「通過這些高精度的測量，這個實驗的靈敏度可能足以探測到質量超出任何一個加速器能力範圍的新粒子，」DeMille說，「肯定超過目前所有正在運行的加速器，可能也超過了任何一個設想中的加速器。」
磁性異常：μ子正準備登場
電子的不為人所知的表親，μ子，15年前就被發現行為異常了。我們可能就快找到是什麼導致了其異常行為了。
兩種粒子都相當於旋轉的帶電球，所以它們會產生磁矩，對於你我來說就是南極和北極。在1928年，物理學家保羅·狄拉克計算了與這個磁矩相關的一個名為g因子的量，這個量對於μ子和電子來說應該準確等於2。但是當我們在20世紀40年代測量電子的磁矩時，g因子比計算得到的大一點：更像是2.002。
我們之後發現這是由於虛粒子對電子的磁矩有輕微的影響，按照量子力學原理，這種粒子會不斷地從真空中出現和湮滅。「就像是電子有個從真空中出現的舞伴，抓住它的手繞著它旋轉，」費米實驗室的Chris Polly說，這一效應在μ子上表現得更為明顯，因為其質量比電子大207倍。「μ子周圍似乎會產生更多的虛粒子。」這使μ子特別適合用來尋找超對稱理論預言的重粒子。超對稱是一個標準模型的擴展理論，頗受物理學家歡迎，但到目前為止LHC還未能探測到它預言的粒子。
物理學家觀測到的磁矩差異主要是由於電子和正電子等尋常粒子的作用，加上一點夸克、W和Z玻色子，以及希格斯波色子的影響，這些粒子狄拉克當初還不知道，但如今已經是標準模型的基本元素。然而，2001年布魯克海文國家實驗室的E821實驗表明，μ子的磁矩更加反常，比標準模型預測的還大了約40億分之一。這個異常在統計上還不夠顯著，並不足以算作一個發現，該實驗也在這個團隊驗證其實驗結果之前關閉了。但是一個名為μ子g-2的新實驗給我們了另一機會。
在2013年，E821用過的探測器，一個直徑15米的巨大環狀超導磁體被抬上了從紐約前往芝加哥的船（下圖為運輸圖）。在那裡，它會使用費米實驗室的μ子束重新運行。新的實驗在2017年春天啟動，在同年10月開始獲得高質量的數據。實驗團隊的物理學家希望在2018年發布首批結果，證實布魯克海文實驗是正確。
Muon g-2探測器（來源：布魯克海文國家實驗室）
對於Polly來說，這也是很私人的一件事。他利用布魯克海文的數據完成了他的博士研究，同時他從μ子g-2實驗啟動時就是這個項目的負責人。「我一直焦慮地懷疑那個15年之前的結果是否真實的，如果結果是真的而且很有趣，」他說，「對我來說能夠在這裡重新研究μ子將會很不錯。」
質子永遠不會消亡——真的是這樣嗎？
質子，原子核的基本成分，被認為是絕對穩定的，也就是說它不會衰變。如果不是這樣，那麼一定存在某種新的力控制它的消亡。但從沒有人見過質子衰變，而且絕不是因為我們沒有注意觀察。
這將我們又帶回了日本山中的巨大水箱。雖然超級神岡主要做中微子相關的實驗，但它的探測器自從運行以來的20年也在同時等待質子衰變。它在尋找一種很特殊的閃光：中微子撞擊時，會釋放出傳播方向與其相同的藍色閃光，而質子衰變與之不同，發出的光與原粒子的運動方向相反。「我們需要在大部分都是相同方向事件的數據中篩選，找到粒子和光方向相反的事件，」Kearns說，「我們只能等待。我們無法使這一過程加速。」
質子的衰變可能有好幾種方式，對於你需要等多久才能看到衰變發生，不同方式給出的估算結果也是不同的。對大多數物理學家青睞的那種衰變方式，超級神岡實驗得到的最精確限制是2014年發布的每5.9×10^33年一次。
但是，一些假設所有的力都會在極高能標下表現為一種力的「大統一理論」認為，質子的壽命為10^30~10^35年，這也就是說我們可能有機會在超級神岡中發現正在死亡的質子。「它可能就在前面拐角處，也有可能下一代實驗都無法探測到，」 Kearns說，「這就是宇宙交到我們手中的東西。」
LHC可能還會給我們帶來驚喜
在物理學家所說的「精確前沿」上，也就是在極度靈敏的測試中尋找新物理規律，可以說前景光明。但是作為間接實驗，這類研究專註於發現新粒子帶來的效果而不是製造出新粒子，因此它們也有缺點：其中一點是，它們無法告訴你新物理究竟是什麼。
「這是個難題，」前LHC研究員，現在任職於瓦爾帕萊索大學的Adam Gibson說，「如果你能夠在對撞機上製造出一些東西，你更有希望解釋它到底是什麼。」
也許現在說LHC毫無機會還太早了。這個對撞機在2015年的重大升級後重新啟動，在達到其最大設計能量前，仍有許多工作要做。所以雖然第一次的對撞沒有找到理論物理學家預言的東西，之後的運行總有可能找到他們意料之外的東西。即使它沒有發現新粒子，LHC也可以對它已經探測到的粒子進行高精度測量，來檢驗它們是否一直都與標準模型相符，Gibson說。
不管它的結果是什麼樣的，沒有新東西出現會是很奇怪的，DeMille說，「所有人都相信一定存在著新粒子。它們不存在才是怪事。」
https://www.newscientist.com/article/mg23231010-100-infinitesimal-oddities-5-deviant-particles-hiding-new-physics/
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