高能物理的絕唱

王孟源

現(xiàn)代高能物理始于1940年代的量子場(chǎng)論（Quantum Field Theory），最初的應(yīng)用是以量子電動(dòng)力學(xué)（Quantum Electro-Dynamics，QED）來解釋電磁力。

在1950年代，加速器的技術(shù)突飛猛進(jìn)，數(shù)以百計(jì)的高能粒子被發(fā)現(xiàn)；物理學(xué)家在整理這些粒子的時(shí)候，注意到各種對(duì)稱性（Symmetry），其中最深?yuàn)W困難也最重要的是規(guī)范對(duì)稱性（Gauge Symmetry）。其實(shí)QED本身就是一個(gè)規(guī)范場(chǎng)論，但是它只是規(guī)范場(chǎng)論中最簡(jiǎn)單的一種，叫可交換規(guī)范場(chǎng)論（Abelian Gauge Theory）。

1954年，楊振寧和他的學(xué)生米爾斯（Robea Mills）解決了非交換規(guī)范場(chǎng)論（Non-Abelian Gauge Theory）的難題，高能物理理論界隨即注意到用非交換規(guī)范場(chǎng)論來解釋弱作用力和強(qiáng)作用力（宇宙中只有四種作用力：電磁力、弱作用力、強(qiáng)作用力和重力）的可能，但是具體的細(xì)節(jié)還不清楚。

1961年，當(dāng)時(shí)在哈佛大學(xué)物理系的格拉肖（Sheldon Glashow）領(lǐng)悟到電磁力和弱作用力如何混合起來的機(jī)制。1967年，薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（Steven Weinberg）把1964年定型的希格斯機(jī)制（Higgs Mechanism）加入格拉肖機(jī)制，確立了完整的電弱理論。在1973—1974年間，有關(guān)強(qiáng)作用力的基本難題也被一一突破，從此高能物理界有了一套完整的理論體系來描述除了重力以外的所有作用力，它被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model）。

在其后40多年里，標(biāo)準(zhǔn)模型的成功超出了任何物理學(xué)家的意料之外。所有量化的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)都符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)；然而標(biāo)準(zhǔn)模型卻又很明顯地不是一個(gè)完整的理論。姑且不論它所需的幾十個(gè)特定參數(shù)值，首先它先天上就不包含重力。超弦原本的動(dòng)機(jī)便是要把重力統(tǒng)一起來，在浪費(fèi)了30年卻只得到一坨污爛之后，不肯把靈魂賣給超弦的物理學(xué)家已經(jīng)理解到，即使是圈量子重力論（Loop Quantum Gravity）這類還沒有像超弦一樣被證明是完全沒有預(yù)測(cè)能力的重力理論，它的預(yù)測(cè)也必然會(huì)比現(xiàn)代加速器的能階（Energy Level）高出十幾個(gè)數(shù)量級(jí)（Order of Magnitude），因此它的可預(yù)測(cè)性仍然是幾百年內(nèi)都無法用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)的。所以在最近幾年，大家（亦即還在做科學(xué)而不是只做論文的高能物理學(xué)家）的共識(shí)是重力太難了，還是先擺在一邊吧。既然必須接受欠缺重力的事實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型里的參數(shù)值也當(dāng)然是目前不可能解釋的了。

但是即使不管重力和參數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)模型還是有其他的毛病。其中最重要的有三項(xiàng)：（1）它不包含暗物質(zhì)（暗能量顯然是和重力有關(guān)的，所以目前管不到）；（2）它不能解釋為什么宇宙里的物質(zhì)和反物質(zhì)沒有對(duì)消近凈；（3）它不含有能驅(qū)動(dòng)宇宙暴脹（Cosmic Inflation）的暴脹子（Inflaton）?，F(xiàn)在理論學(xué)家（Theorists）實(shí)在是想不出什么好主意了（否則也不會(huì)讓超弦騙走這么多人），真正的希望還是要靠實(shí)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)要探索更高的能階有兩個(gè)辦法，一個(gè)是靠精密測(cè)量很小的修正值；另一個(gè)則是建造更大型的加速器，以蠻力來產(chǎn)生更高能的粒子。前者一般比較便宜，但是往往只能探測(cè)參數(shù)空間（Parameter Space）里的小小一隅；真正要產(chǎn)生詳盡的資料，最理想的還是更大的加速器，而現(xiàn)在最大最先進(jìn)的加速器就是歐洲核子研究機(jī)構(gòu)（Organisation Europeene pour la Recherche Nucleaire，CERN）位于日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）。

LHC自1998年至2008年，共花費(fèi)了十年才建成，總預(yù)算是75億歐元（約90億美元）。由于選錯(cuò)了焊接工藝，2008年9月開機(jī)后9天，超導(dǎo)電磁鐵的電路就燒壞了。其后用了一年多才修好，但是只能以原設(shè)計(jì)能量（14 TeV）的一半（即7 TeV）運(yùn)行。不過還好希格斯粒子質(zhì)量（125 GeV）不太高，在2013年LHC就有了足夠的實(shí)驗(yàn)資料來證實(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，希格斯（Peter Higgs）和同僚隨即獲頒當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)?？墒窍８袼沽Ｗ邮菢?biāo)準(zhǔn)模型的（最后）一部分，當(dāng)初計(jì)劃LHC時(shí)，發(fā)現(xiàn)希格斯粒子是最起碼的標(biāo)的。真正的目的是要發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的粒子，尤其是超對(duì)稱粒子（Supersymmetric Particles）。超對(duì)稱（supersymmetry）是超弦所做的幾十個(gè)假設(shè)里，最重要也是最基本的一個(gè)，甚至連超弦名字里的“超”都是由超對(duì)稱而來的（Super-String其實(shí)是Supersymmetric String的簡(jiǎn)稱）。原本1970年代發(fā)明超對(duì)稱是為了解釋標(biāo)準(zhǔn)模型所需的幾十個(gè)特定參數(shù)值間的一些關(guān)系，不過后來大家發(fā)現(xiàn)即使是最簡(jiǎn)單的超對(duì)稱模型都需要另外幾百個(gè)新的參數(shù)，于是有些人（包括我）就不再相信超對(duì)稱，而威騰（Witten）和他的信徒（把超弦比為宗教并不是我的發(fā)明，超弦界自己在20年前就戲稱威騰為教宗）則加倍下注，搞出了更復(fù)雜、最終有10^500個(gè)自由度的超弦。在1990年代，做超弦的個(gè)個(gè)都說最輕的超對(duì)稱粒子會(huì)馬上被Tevatron（位于芝加哥附近的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的上一代加速器，最高總能量在2011年停機(jī)前達(dá)到了2 TeV）發(fā)現(xiàn)，所以LHC只是用來研究更重的那幾百個(gè)超對(duì)稱粒子的。結(jié)果此后每年Tevatron和后來的LHC的能量和亮度（Luminosity，即對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的數(shù)量）提高一步，做超弦的就把最輕的超對(duì)稱粒子的質(zhì)量往上調(diào)高一步，以解釋為什么沒有觀察到超對(duì)稱。到2013年LHC做完7 TeV能階的實(shí)驗(yàn)后，超對(duì)稱理論的原始參數(shù)空間已經(jīng)有99.9%被否定掉了。

LHC在過去兩年關(guān)機(jī)，以便完全重建超導(dǎo)電磁鐵的電路。在未來幾周內(nèi)將重新啟動(dòng)，預(yù)計(jì)今年夏天可以達(dá)到接近原設(shè)計(jì)值的13 TeV能階。如果沒有意外，到年底將會(huì)把超對(duì)稱理論的原始參數(shù)空間再壓縮兩個(gè)位數(shù)，也就是否決掉99.999%。當(dāng)然，做超弦的在過去20年已經(jīng)自打嘴巴幾百次，再胡扯出幾千篇神話、重寫一次歷史也只是他們的專業(yè)。高能物理眼前真正的危機(jī)是LHC很可能無法超越標(biāo)準(zhǔn)模型。下一代的加速器目前臺(tái)面上的估價(jià)是200億美元，實(shí)際上大家都知道會(huì)超過500億。更糟糕的是LHC至少還保證有希格斯粒子來當(dāng)安慰獎(jiǎng)，下一代的加速器卻很可能什么都找不到。高能物理界在2014年開始游說中國(guó)政府，估計(jì)成功機(jī)率不大。如果到年底LHC還沒有發(fā)現(xiàn)新粒子（當(dāng)然，發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子的機(jī)率是100%-99.9%=0.1%，所以希望只能寄托在其他的新粒子上），那么我們這代人到死大概都不會(huì)再有更高階的加速器（不含能階略低于LHC，用來精密測(cè)量希格斯粒子的電子/正子直線對(duì)撞機(jī)）出現(xiàn)。前面提到除了加速器以外，精密測(cè)量也有可能突破標(biāo)準(zhǔn)模型；可是我的猜測(cè)是只有暗物質(zhì)比較可能會(huì)如此被發(fā)現(xiàn)，而且機(jī)率不超過25%，這還包含了暗物質(zhì)是一種中微子（Neutrino，標(biāo)準(zhǔn)模型只包含三種中微子，若有第四種則將超越標(biāo)準(zhǔn)模型）或軸子（Axion，不是標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分）的可能，而新的中微子或軸子雖然超越標(biāo)準(zhǔn)模型，卻并不解釋更高能階的物理。所以總結(jié)來說，2015年很有可能是高能物理對(duì)我們這代人的絕唱。