為什麼說大型強子對撞機在無形地推動物理學發展？

大約7年前，馬薩諸塞大學的物理學家Stephane Willocq著迷於一套理論，該理論預言了隱藏在經典四維時空中的蜷縮額外維度的存在。額外空間維度的概念很吸引人，因為它允許我們從不同的角度來看待粒子物理學中的基本問題。

作為一名實驗物理學家，Willocq能做的不僅僅是思考。在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）中進行的阿特拉斯（ATLAS）實驗期間，Willocq對自己鍾愛的理論進行了檢驗。

額外空間的測試

根據該理論的預言，蜷縮的額外維度將影響大型強子對撞機中質子與質子碰撞的結果。理論上，碰撞將產生比預期更多的高能粒子。

然而，經過幾次搜索，Willocq沒有發現任何異常。Willocq表示，這是一個偉大的想法，但令人失望的是，它一點一點地消失了。但這就是科學進步的工作原理——通過消除的過程找到正確的想法。

大型強子對撞機是目前最為強大的粒子加速器，它的最重要成就是發現了希格斯玻色子。除此之外，物理學家一直把大型強子對撞機當做一個同樣重要的科學探索：測試、限制和消除數以百計的物理學理論，例如，為什麼引力遠遠弱於其他已知的基本力。

Willocq表示，只有一個正確的理論，只是我們還沒有找到它。

現在，物理學家已經完成了大型強子對撞機的第二輪運行，這已經覆蓋了大量的領域，消除了眾多物理學理論中的最簡單版本。它們覆蓋的相空間是之前尋找重粒子的四倍，並對物理上的可能性設置了嚴格的限制。

這些研究並沒有像希格斯玻色子那樣得到同樣的關注，但是這些無效的結果——這些結果並不支持某種理論假說——也推動了物理學的發展。

一個意想不到的信號

在找到了最明顯的線索之後，物理學家目前正在調整他們的方法，並在追求新物理學的過程中考慮新的可能性。

迄今為止，物理學家經常使用一套簡單的公式來尋找新粒子。在粒子碰撞中產生的大量粒子幾乎會立即衰變，變成更穩定的粒子。如果物理學家能測量所有這些粒子，他們就能重建產生這些粒子的原始粒子的質量和性質。

在1995年，物理學家發現了夸克。在2012年，又發現了希格斯玻色子。但尋找下一個新事物，可能需要不同的策略。

威斯康星大學CMS實驗的物理學家Tulika Bose表示，發現新的物理現象比我們預想的更具挑戰性，這會讓物理學家迸發出新的靈感。一種觀點認為，也許物理學家太過專註於瞬間衰變的粒子，以至於他們錯過了大量的粒子，而這些粒子在衰變前可以移動數米。

物理學家正在重新思考如何重建這些數據，以構建一個更大的網路，並有可能捕捉到具有這些特徵的粒子。Bose表示，如果我們只使用現有的標準分析方法，我們肯定不會對新粒子敏感，我們需要探索創新的方法。

精確測量

由於從質子碰撞中還沒有找到額外空間維度的證據，Willocq決定在實驗中使用另一種方法：精確測量。

模型還可以預測粒子的性質，例如，它們衰變為一組粒子與另一組粒子的頻率。如果精確的測量結果與粒子物理標準模型的預測有偏差，這就意味著有新的東西在起作用。

一些新的物理模型預測了罕見亞原子過程的增強速率，只是它們的速率如此之低，以至於物理學家還無法測量它們。

在過去，對已知粒子的精確測量已經推翻了看似堅不可摧的範式。例如，在20世紀40年代，對中子的磁矩測量表明，它並不是之前假定的基本粒子。這最終幫助發現了構成中子的粒子——夸克。另一個例子，對某些物質和反物質粒子不匹配衰變的測量，物理學家預言了新夸克的存在，這就是後來發現的頂夸克和底夸克。

大型強子對撞機研究項目的計劃是收集大量數據，這將給物理學家提供所需的解析度，以檢查粒子物理標準模型的每一個「陰暗角落」。該計劃會自然而然地推動物理學搜索方法朝著更精細、更精確的方向發展，這將幫助物理學家限制新物理學可能帶來的偏差。

由於這些理論預言中有許多從未經過徹底的檢驗，物理學家希望他們能發現一些微小的偏差，從而開啟物理學研究的新紀元。大自然也許對我們很苛刻，但也許大自然在考驗我們，讓我們變得更強大，最終可以找到大統一理論。

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