大型強子對撞機的5個發現

有時，看似一樁小事卻足以讓你抓狂。20世紀初，牛頓發現萬有引力並完美解釋了一系列現象，麥克斯韋寫出了漂亮的電磁方程組，有一段時間，物理學家們似乎認為物理學的框架已經基本建立完成，接下來只是些零碎的修補工作而已。但是重視現實的開爾文提出物理學上空的兩片「烏雲」，這引發了一場科學革命。其中一片「烏雲」就是熱學中的能量均分定理在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果，其中尤以黑體輻射理論出現的「紫外災難」最為突出。

大型強子對撞機（圖片來源：蓋蒂圖片社）

粒子物理學和量子力學的研究對象都是微觀粒子，這類研究方向的物理學家發現了兩種基本作用力和許多奇怪的基本粒子。但是在上世紀70年代之前，物理學家對微觀粒子的認識還只是停留在已發現的上百種粒子上，他們的工作也只是檢驗和完善標準模型--佔有主導地位的理論。30年後，物理學家利用加速器和對撞機發現亞原子微粒，這很重要。不過還存在著許多問題：為什麼有些粒子有質量，而有些質量為零？四大基本作用力能夠統一起來嗎？廣義相對論和量子力學之間的矛盾能消除嗎？

這些尚未解決的問題是否又會引發另一場革命？要想找到答案，我們需要更強大的粒子對撞機，例如，周長為16.8英里（27公里）的內部溫度低於外界溫度的超導磁體環，還要能夠在超高真空以接近光速的速度撞擊粒子。2008年9月10日，這個耗資100億美元的大型強子對撞機（Large Hadron Collider ，簡稱LHC），由全球數百名科學家和工程師共同努力完成，聯合歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research ，簡稱CERN），很快打破了粒子碰撞的記錄。

讓我們回顧一下研究人員通過這個大型強子對撞機的研究成果，從最著名的開始。

希格斯玻色子

彼得·希格斯教授（Peter Higgs）（圖片來源：蓋蒂圖片社）

在宏觀世界裡，我們假設所有尺寸的粒子都有質量。但是在微觀世界中，電弱統一理論將電磁力和弱相互作用力統一為一種隱形的力，預測稱為介質的特殊粒子不應該有質量，但是問題出在其實有些粒子確實有質量。

介質是力的載體。光子其實就是電磁波在空間中的傳播，可以和其他粒子發生電磁相互作用，W和Z玻色子傳遞弱相互作用力。不過，光子是沒有質量的，而根據歐洲核子研究中心，W和Z玻色子的質量差不多等價於100個質子的質量總和。

1964年，愛丁堡大學（University of Edinburgh）的物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)以及布魯塞爾自由大學(Free University of Brussels)的羅伯特·布里特(Robert Brout)團隊分別獨立地提供一個解答（後稱為希格斯機制）：假設存在這樣一個特殊的場，也稱希格斯場，粒子與場的相互作用程度決定了粒子傳遞的有效質量。如果希格斯場確實存在，那應該有介質粒子——希格斯玻色子，但是需要像大型強子對撞機這樣的設備來檢測這個粒子的存在。

2013年，物理學家證實希格斯玻色子的存在，其質量約為126千兆電子伏特，也相當於126個光子質量總和。由於質能等價性，物理學家有時候也使用電子伏特作為質量的單位。這個結論不僅改寫了相關的參考書，還為研究宇宙的穩定性開闢了全新的研究領域。比如，為什麼宇宙中的物質遠多於反物質，以及暗物質的組成和丰度。

重四夸克態

已故的理論物理學家內森·伊斯格爾（Nathan Isgur）（圖片來源：多倫多星報）

1964年，兩名研究人員在試圖理解強子（參與強相互作用的基本粒子）——強相互作用下的亞原子粒子時，他們獨立提出了相同的觀點，即亞原子粒子是由三種類型的粒子組成的。喬治·茨威格（George Zweig）給它起名為艾斯（Aces）， 默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）稱之為夸克，三種夸克中兩種同位旋為1／2，另一種同位旋為0。在同位旋為1／2的兩種中，同位旋向上的，稱為上夸克（up）；同位旋向下的，稱為下夸克(down)；同位旋為零的則稱為奇異夸克(strange)。後來物理學家又發現另外三種夸克，並分別命名為粲夸克（charm）、頂夸克（top）和底夸克（bottom），每個夸克有紅、綠、藍三味。

多年以來，物理學家一直根據夸克的製造方式將強子分為兩類：由三夸克組成的重子（包括質子和中子）和由夸克-反夸克對組成的介子（如π介子和k介子）。但是這些是唯一可能的組合嗎？

2003年，日本的研究人員發現了一種奇怪的粒子——X(3872)，似乎是由一個粲夸克、一個反粲夸克和其它兩種以上的夸克組成的。在探索粒子是否存在的同時，研究人員還發現了Z(4430)，這明顯是一個四夸克粒子。後來，大型強子對撞機還發現了數個證明這些粒子存在的證據，這和已經建立的夸克排列模型相悖，至少有點矛盾。這樣的Z粒子是轉瞬而逝的，可能在大爆炸後微妙內出現過。

未被證實的超對稱性

大型強子對撞機的通用探測器（圖片來源：蓋蒂圖片社）

理論學家提出了超對稱性，簡稱SUSY，用來處理一些標準模型無法得到解答的問題，比如，為什麼一些基本粒子有質量？如何將電磁和強弱核力聯繫在一起？暗物質是有什麼組成的？另外，超對稱性還在夸克和輕子之間就如何構成物質建立了一定的關係，而玻色子則是它們之間相互作用的媒介。就像前面提到的重子一樣，輕子（如電子）屬於一種亞原子粒子，稱為費米子，和玻色子的量子特性相反。然而，根據超對稱性的說法，每個費米子都對應著一個玻色子，反之亦然，每個粒子都可以轉化成它對應的粒子。

如果這是真的，那麼超對稱性就意味著兩種基本粒子類型（費米子和玻色子）只不過是同一枚硬幣的兩面。如果讓對應的粒子相互抵消，數學中的某些無法控制的無窮量可以消去。另外，標準模型對地心引力的解釋也有明顯的漏洞，因為費米子和玻色子之間的轉換可能涉及到引力子，引力子早期就由物理學家提出作為地心引力的載體。

物理學家希望大型強子對撞機能夠找到支持超對稱性的證據，然後揭示出更深層的問題，這有可能引導新的理論提出，甚至意味著新的實驗領域。到目前為止，超對稱性在自然界中尚未被觀測到。不過，超對稱性也有很多版本，每個版本都與特定的假設有關，大型強子對撞機只是選擇了形式最優美的版本。

協調運動

歐洲核子研究中心當天的湯是一種夸克-膠子等離子體。

當研究人員校準大型強子對撞機的儀器時，他們一般不進行常用的質子-質子碰撞，而是選擇利用質子撞擊鉛核，這是產生了一個令人吃驚的現象：產生的亞原子碎片通常選用的隨機路徑被顯性協調取代了。

對於這種現象，一種理論認為，質子和鉛核之間的撞擊導致了一種叫做夸克-膠子等離子體（QGP）的奇異狀態產生，它像液體一樣流動，並在冷卻時產生協調粒子。布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratories)和大型強子對撞機都曾經通過碰撞鉛和金等重離子產生出夸克-膠子等離子體——黑洞之外最密集的物質形式。如果由質子引導碰撞產生夸克-膠子等離子體被證明是可能的，那麼雖然它在大爆炸之後存在的時間很短暫，但是對後來科學家觀測大爆炸之後的宇宙狀態的影響十分顯著。不過現在的問題是：碰撞釋放的能量還不足夠製作出假設的夸克湯。

儘管大多數物理學家都贊成這個觀點，但還有部分物理學家持反對意見，還提出了一些解釋，在膠子創造的理論場中，粒子作為強作用力的載體，將夸克和反夸克變成質子和中子。他們假設，膠子在接近光速的狀態下運動形成了這種理論場，夸克和反夸克在場中相互作用形成質子和中子。如果這個假設成立，這個模型倒是可以為質子結構和相互作用提供有價值的見解。

新物理的標誌…也許不是

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