粒子物理學：打破標準模型的競賽

原文在這裡。作者：Geoff Brumfiel 譯者：fwjmath

譯者簡介：fwjmath，只會學術的宅男×1，正業為數學，愛好搗鼓自然科學，在外求學中，算是大二。個人博客是http://fwjmath.spaces.live.com。

在基礎物理學中有一個非常成功的理論，它叫「標準模型」，但科學家卻覺得它的成功令人沮喪，而且還要想方設法擊敗它，創造一個超越它的基礎物理學理論。大型強子對撞機就是最近的嘗試之一，但它並非擊敗標準模型的不二法門。Geoff Brumfiel 對每個嘗試在對撞機全速運行之前摘取大獎的競爭者進行了一番調查，讓我們跟去看看吧！

它威力強大，它令人生厭，它註定滅亡，這就是物理學家眼中的「標準模型」。它是一台由方程組成的數學機器，描述了所有已知的物質結構，從原子到星系無一漏網。它描述了自然中四種基本相互作用之中的三種：強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。它以前所未有的精確度預測了一個又一個實驗的結果。儘管威力如此巨大，它還遠未完善。它的數學結構非常隨意，其中還穿插了很多不嚴格的常數，但最困擾科學家們的是它一次又一次地擊敗了向它引入最後一種基本相互作用——引力——的所有嘗試。

所以，自從二十世紀七十年代標準模型建立之後，物理學家們就一直在嘗試超越它。實際上，他們必須用與它那些近乎完美的方程預言的結果相反的實驗數據來推翻它，然後再從廢墟上重新建造一個更新更好的理論。坐落在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）內的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）正是推翻這個模型的最新嘗試，也是許多人認為最可能成功的。它供應的巨大能量將會使粒子加速到標準模型力所不達的領域。在打破僵局的競賽中，「到目前為止，LHC 是最受歡迎的」，Frank Wilcezk 說。他是麻省理工學院的理論物理學家，是 2004 年諾貝爾物理學獎的得主之一，他和其他兩位得獎者的獲獎工作就是標準模型的理論基礎之一——描述強相互作用力的量子色動力學。

但 LHC 並不是這場遊戲的唯一玩家。幾十年來，物理學家一直在通過各種途徑尋求超越標準模型的方法：有的寄希望於粒子加速器；有的寄希望於對罕見事件的精細測量；有的還寄希望於太空觀察得到的結果。在 LHC 全速運轉之前——它的第一份實驗結果至少要到明年夏天才能出來（請參看「勢不可擋的對撞機」一節）——其中一些研究團隊認為他們還可以為勝利放手一搏。他們的任務相當艱巨：標準模型可是相當難以對付的，它已經成功抵擋住了所有簡單明顯的攻擊。要想打敗它，科學家們需要前所未有的精確實驗，大量的實驗數據，還要加上不少的運氣。下面我們來看一下這些躍躍欲試的物理英雄吧！

Tevatron

在 LHC 全速運轉之前，世界上另一個重量級的粒子加速器已經在全力奔跑，爭取打破標準模型了。自 2001 年以來，坐落在美國伊利諾斯州費米實驗室的 Tevatron 就不停將質子和反質子加速到萬億電子伏特的對撞能級了。

這只是 LHC 最高對撞能量的七分之一，但在探求新物理的過程中，對撞能量並不代表一切。能創造出標準模型以外的粒子的碰撞事件非常罕見，所以加速器運行時間越長，積累的數據越豐富，它就越有機會作出新的發現。因此，至少在將來的一段時間裡，Tevatron 還能繼續在數據積累方面領先於 LHC。即使是在 2009 年夏天，Tevatron 在數據上也還會超過它的新競爭者好幾倍。

而現有的這些數據似乎提示我們，一些超出標準模型的東西已經出現了。這種提示雖然誘人，但仍不確切。與標準模型不符的結果之一就是對奇異 B 介子（Bs）的測量。奇異 B 介子是由一個奇異夸克和一個反底夸克組成的，在介子的世界中算是非常重量級的了。根據電荷-宇稱對稱性，標準模型預言奇異 B 介子和它的反粒子（由一個反奇異夸克和一個底夸克組成）的衰變路徑相同。但測量結果提示我們，它們倆的衰變路徑有些差異。據 Tevatron D-Zero 實驗的發言人 Dmitri Denisov 所言，這種差異在將來的探索中可能會成為一條重要的線索，可能意味著存在未知的粒子或者法則。無論如何，「這是一項激動人心的測量實驗」，Denisov 說。

而據 Tevatron 的另一個主要實驗——對撞探測器（CDF）——的發言人 Robert Roser 補充，其實奇異 B 介子反常並不是加速器中出現的唯一奇怪現象。頂夸克-反頂夸克對衰變的過程中出現的一些特徵也迷住了他，但他也承認這個結果遠未被確認。然而，以後我們可能會發現這些反常信號的重要性，Roser 說，「如果你不斷積累數據，（這些可能的反常情況）其中之一可能會變成事實。」

但 CERN 的一位理論物理學家 John Ellis 對此持懷疑態度。據 Ellis 所言，不錯，Tevatron 也許能給出一些誘人的提示，但在 LHC 重裝上陣之前它看起來不會作出什麼決定性的發現。他指出，在粒子物理學的世界中，在測量精確度達到小於 5σ（5個標準誤差，相當於 99.99994267% 的精確度）之前，任何結果都不能被稱為「發現」。要達到這樣的測量精度，我們需要的數據遠比 Tevatron 目前累積的要多，這個目標在它的新對手超過它之前恐怕難以達到。「我認為這對於 Tevatron 來說是非常非常困難的，」Ellis 說，「我認為他們不可能在 LHC 開始掃蕩之前到達目標。」

宇宙

當高能物理學家們集中在他們的機器的控制室里時，另一群物理學家正在仰望星際。他們希望在那裡能找到打敗標準模型的武器——如果宇宙肯配合的話。

他們的航天器主要尋找的目標是暗物質存在的證據。暗物質是一種無法捉摸卻可能佔據宇宙中高達 85% 質量的物質，只有通過它對星系的引力作用和對宇宙形狀的影響，天文學家們才能知道暗物質的存在，除此之外它與組成恆星、行星和我們人類的普通物質幾乎沒有其它任何相互作用。據推測，暗物質可能是由那些很少甚至從不與普通粒子發生相互作用的粒子組成的一片雲霧。沒人知道那些粒子會是什麼，但它們肯定不在標準模型內。 （譯註：經 QueenKerene同學指出，除了暗物質之外宇宙中還有暗能量。暗能量換算後所佔宇宙質能比例大約是70%，但如果不計算暗能量的話文章的說法是成立的。）

暗物質候選者之一來自所謂的「超對稱」理論，這個理論預言標準模型中的每種粒子在標準模型外都有一個較重的「超對稱夥伴」。在這些超對稱夥伴粒子中最輕的是中性伴隨子（neutralino），而超對稱理論預言它的性質正好與暗物質相同。

我們不能通過天文望遠鏡或者軌道衛星等方式直接看到中性伴隨子本身，但偶爾會有兩個中性伴隨子會相互碰撞然後湮滅，這時它們會產生一簇普通粒子，而軌道探測器正好可以探測這種粒子簇。PAMELA（Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics，物質反物質探索與輕核天體物理研究有效載荷）項目已經發現了一條有趣的線索。裝載在衛星上的儀器已經非正式地報告了正電子的過剩，這些正電子可能是暗物質湮滅時被製造出來的（參見 Nature 454, 808; 2008）。「這是個漂亮的結果，」看過 PAMELA 數據的 Graciela Gelmini 說，她是加州大學洛杉磯分校的物理學家。但她補充強調，由於測量的複雜性，我們必須多留個心眼。

而最近發射的另一個衛星或許也能探測到中性伴隨子匆匆湮滅時發出的一些信號。價值 6.9 億美元的費米γ射線空間望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope，原名 GLAST）是一個用於全天探測超高能光子的太空設備，而這些超高能的γ射線有可能是由中性伴隨子湮滅產生的，在這種情況下我們會在這個軌道探測器的天圖上看到一片無處不在的雲霧。「這將會是一個非常、非常驚人的特徵信號，」項目科學家 Steven Ritz 說，他在馬里蘭州 Greenbelt 隸屬於 NASA 的 Goddard 空間飛行中心工作。

據伊利諾依州芝加哥大學的宇宙學家 Michael Turner 說，如果這樣的特徵信號能及時被識別和確認的話，它就有機會在打破標準模型的競賽中打敗 LHC。但他也指出，儘管天體物理學在學術上可能會是第一個作出如此發現的領域，但它能做的也就只能是這些了。正電子、γ射線和其它的特徵信號只能粗略地給出新粒子質量的可能範圍，但對於超對稱理論卻什麼貢獻都做不了。正因為這樣，「很多問題將會仍然存疑」，Ritz 說，而這些問題要等 LHC 來解決。

勢不可擋的對撞機

就像《自然》雜誌之前強調的那樣，在日內瓦附近位於歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）將要開始運轉了。但在這台機器產出可以正式發表的科學發現之前，科學家們還有很多工作要做。在接下來的幾個月，在操作員微調對撞機主體時，其他科學家也要讓分布在粒子加速環旁邊的實驗儀器正常運行。

要啟動一個如同高樓般大小的探測器絕非易事。每一台設備都是由成千上萬個小探測器構成的，而為了追蹤質子對撞時產生的粒子，所有這些探測器都要完美地同步運作。據 ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS，回型 LHC 實驗裝置）實驗的發言人 Peter Jenni 介紹，現在他們正在利用宇宙射線來同步這些探測器。然而，追蹤真正的粒子對撞過程需要的遠不止這些。對撞的質子束每秒會產生數以億計的「事件」，每個事件各自包含著數百甚至上千個從對撞點飛出的粒子「碎片」。由於這些小探測器是為了追蹤每一個粒子而設計的，它們產生的數據量將會遠遠超過實驗物理學家的處理能力。幸好絕大多數的碰撞都不會有什麼特別的粒子產生，所以實驗者們給探測器安裝了一些電子觸發器，用以將那些有意義的碰撞事件分離出來。例如，一個簡單的觸發器會將產生了μ子的碰撞事件標記起來，因為μ子通常是由比較重的粒子衰變而來的。據 Jenni 所說，每種有趣的事件都會有一個為之設計的觸發器來保存數據，而每個觸發器都需要進行仔細的調整。

在對數據進行過濾後，科學家們還要對剩下的數據進行分析。此時，實驗設備產出的數據會通過一個巨大的計算網格傳送到數以千計的物理學家那裡，這個計算網格連接了遍布全球的大學實驗室，數據的每日處理容量達到 PB 級（1PB=1024TB，現今的個人電腦硬碟大小普遍是 0.1TB 左右）。據 CERN 的 CMS 實驗（Compact Muon Solenoid，緊湊型μ子螺旋型磁譜儀）發言人 Jim Virdee 所說，這個計算網格的試運行情況良好，而 ATLAS 和 CMS 的團隊正在使用計算機生成的示例數據練習如何對數據進行處理。

Jenni 和 Virdee 都說，如果一切順利的話，最早在 2009 年夏天就會看到 LHC 的第一批結果。在那時，對撞機應該已經在它的最高對撞能量 7Tev（萬億電子伏特）上運行了幾個月，在這段時間內一切技術問題都會被解決。

LHC 會在它的第一次運行中就發現物理學上的新東西嗎？有可能。這台對撞機的最高對撞能量是 Tevatron 的大約 7 倍，而後者是現今對撞能量最高的粒子加速器。這是一個飛躍，所以原則上來講我們幾乎能在正式運行時立刻看到新的粒子，Virdee 說，「你不需要多少數據就能超越費米實驗室探索的前沿。」

費米實驗室的物理學家們對這種看法持懷疑態度，這也是人之常情。據費米實驗室對撞探測器的發言人 Robert Roser 所說，在 Tevatron 工作的物理學家用了兩年時間才完整領會到他們實驗的特性。而據費米實驗室 D-Zero 實驗的發言人 Dmitri Denisov 所言，即使擁有更高的對撞能量，LHC 仍需要進行數量相當大的碰撞才能找到一些新東西。「在一個探測器中僅僅讓兩個質子對撞是不夠的，」他說。

黑暗

別的物理學家選擇了黑暗而非光明。在那些廢棄礦井和交通隧道中，他們照看著他們洞穴里的高靈敏度探測器，這些探測器也許可以找到直接指向暗物質的證據，當中包括超對稱理論中的中性伴隨子（參看 Nature 448, 240; 2007）。

現在有好幾種設計這種探測器的不同方案，但它們都遵循著同一個基本理念：拿一些你認為可能與暗物質發生相互作用的物質，將它埋到地底來阻斷宇宙射線等干擾因素，然後等待不尋常的事件。「這就像在看著青草生長，」Wilczek 說。

儘管這不是打敗 LHC 的方法中最刺激的，但這些探測器取得的進展令人印象深刻。其中一個實驗項目是 CDMS II（Cryogenic Dark Matter Search II，低溫暗物質搜索二代），它位於美國明尼蘇達州的蘇丹礦井下，正在不停收集著數據。它的運行者打算在年底前將它的靈敏度提升三倍。另一個位於義大利大薩索山一條隧道中，名為 XENON100 的實驗項目同樣也有機會比 LHC 更快得到初步的結果。「這個領域成長得很快，競爭也很激烈，所以現在要在這裡立穩腳跟不是件容易的事，」XENON100 的項目科學家 Elena Aprile 說，她在紐約哥倫比亞大學工作，「這是個美妙的時代。」

而處於所有這些期待的頂端的是一個研究團隊聲稱他們已經在他們的探測器中看到了暗物質。在今年早些時候，同樣位於大薩索山國家實驗室的實驗項目 DAMA/LIBRA（Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes，碘化鈉晶體暗物質搜索）的研究者宣告他們在項目的新一代探測器中看到了暗物質的信號（Nature 452, 918; 2008）。但據實驗儀器與其處於同一穹頂下的 Aprile 說，其他團隊都被他們的發現難住了，現在還沒有人能夠確認這個信號，實際上，他們的結果似乎與其他團隊的相互矛盾。「我們的結果遠非一致，」她說。

儘管這些探測器正在跳躍式發展，它們也有死穴：它們探測的前提是暗物質與普通物質有相互作用，儘管這種相互作用可能極其罕見。據 Ellis 說，這個前提不一定成立。對於他來說，這些實驗就像「在黑暗中射擊」。

但 Ellis 也承認，這些黑暗中的搜索也有可能比 LHC 更早發現些新東西。「我覺得這幫找暗物質的人就像撲克牌裡邊的大王一樣難以捉摸，」他說。

中微子

對於那些想要在競賽中打敗 LHC 的科學家來說，接下來的幾個月在咖啡因的催化下可能只會在他們記憶中留下努力工作的模糊印象。但研究中微子的物理學家們可能會好受些，因為他們早在十年前就在這個領域開闢了新的天地。

中微子是一族名為「輕子」的基本粒子的中性夥伴，平常我們熟悉的電子也屬於輕子（譯註：輕子有三種，分別是電子、μ子和τ子，它們分別有對應的中微子夥伴，所以共有三種中微子）。標準模型的原始版本預言中微子的質量為零，但實驗物理學家們懷疑事實上並不是這樣，因為每年他們探測到的來自太陽的中微子數量遠少於理論預測。對於這種數量上的缺失，有一種可能的理論解釋就是太陽發出的中微子可以在路上變來變去，從一種中微子變成另一種中微子，但只有在中微子有質量的情況下這種振蕩才能實現。在 1998 年，中微子的這種振蕩被位於日本岐阜縣的超級神岡探測器抓了個正著，這個實驗結果是對標準模型的第一個證據確鑿的挑戰，但也是目前為止唯一的一個。

但很不走運的是，據 Ellis 所言，標準模型只要對它的方程稍作修改就可以容忍中微子擁有質量了。「我們比較容易就能加點什麼東西進去（標準模型），」他說。這樣的話，儘管中微子研究者按理說已經撼動了標準模型，但他們的發現對正在探求新物理模型的理論物理學家們並無助益。

但中微子的故事並沒有就此完結。來自美國、歐洲和日本的幾個實驗團隊都在向他們的探測器發射中微子束，試圖搞清楚中微子是如何振蕩的。據哈佛大學的理論物理學家 Lisa Randall 所說，中微子振蕩的精確細節可以幫助他們檢驗新理論模型的可行性。

另外，還有兩個新的探測器能在這條道路上走得更遠。一個來自歐洲的合作項目在靠近法國土倫的地中海海底布置了一個名為 ANTARES （Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research，中微子望遠鏡天文學與深空環境研究，縮寫意為「心宿二」）的中微子探測器，而來自美國的另一個團隊正在南極洲的冰川下安裝一個名為 IceCube 的探測器。這兩個探測器的設計思想是相同的：通過一串串的小型探測器來捕捉高能中微子衝擊水或者冰的痕迹。ANTARES 在今年夏天早些時候就已經安裝完畢，而 IceCube 的 70 串探測器才安裝了大概一半。但據 IceCube 的首席科學家，工作在威斯康星大學的 Francis Halzen 說，現在 IceCube 的靈敏度已經是超級神岡探測器的五倍了。「我們能作出新發現並不是不可思議的，」他說。

但是我們還不知道他們可能發現些什麼，有可能是被困在太陽核心的暗物質粒子產生的中微子。但 Halzen 補充說，探測中微子實驗發現的東西都需要 LHC 進一步跟進。「我認為這些（中微子探測項目）只是補充性的實驗，」他說，「但如果有機會的話，我倒是更希望是第一個看到新東西的人。」

成功在望？

這樣的話，這些項目能否擊潰標準模型呢？Wilczek 對此持懷疑態度。「我還沒有激動得坐不住，」他說，如果我們看看以往的記錄的話，似乎「標準模型每次都堅持住了」。他相信只有 LHC 才真正擁有打破現有格局的機會。

但是我們也不能保證這個巨型對撞機一定能做出新的發現。「我們可能在 2009 年年中就觀察到超對稱現象，但它也可能永遠不會出現，」Ellis 說，如果真的永遠看不到超對稱現象的話，物理學家們面對的會是「想像中最恐怖的場景」。「（這樣的話）我們接下來能幹什麼呢？」他問道。

但 Turner 的看法恰恰相反。這些實驗和 LHC 終究是在並肩作戰。他確信只要將他們的實驗數據與 LHC 的結合起來，物理學家們就能擊敗標準模型，也會給物理學開創一個新天地。「我們站在一個重要物理學革新的邊沿。」他說。

Geoff Brumfiel 是《自然》雜誌在倫敦的高級記者。

關於 LHC 啟動的更多資料，請參見《自然》雜誌特別新聞，地址是 http://tinyurl.com/5usrfl。

譯註：關於 LHC 探測器的資料，請參看 http://boinc.equn.com/lhc。這個網站內容有保證，因為有一部分也是我翻譯的，呵呵。

再譯註：LHC 前一陣時間發生了一點小故障，不過還是可以保持在 2009 年初開始全速運行，這樣上面提到的這些計劃就多了幾個月的時間來打敗 LHC 了。讓我們來看好戲吧！

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