粒子物理學(xué)終于規(guī)劃出一條健康的前進(jìn)之路

劉牛

許多宇宙學(xué)難題仍有待解決。通過采用廣泛且多樣的方法，

粒子物理學(xué)正朝著光明的未來前進(jìn)。

就在十年前，粒子物理學(xué)領(lǐng)域看起來還處于混亂之中。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)剛剛啟動(dòng)，雖然他們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子——標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子——但他們未能找到任何證據(jù)來支持任何一種能夠帶領(lǐng)我們超越標(biāo)準(zhǔn)模型的其他主流理論。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，能量前沿領(lǐng)域的先驅(qū)，永久性地關(guān)閉了其主加速器，而對(duì)像中微子質(zhì)量起源、暗物質(zhì)性質(zhì)以及物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱起源等難題的研究似乎陷入了停滯，無論是在實(shí)驗(yàn)還是理論方面都進(jìn)展緩慢。

此外，粒子物理學(xué)家自身似乎也在爭論不休，不確定接下來應(yīng)該做什么。建造一個(gè)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)更強(qiáng)大的新加速器是否有足夠的價(jià)值？為了研究中微子的質(zhì)量，我們應(yīng)該如何探測中微子的行為？我們是否充分利用了粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)之間的聯(lián)系？在尋找暗物質(zhì)的過程中，我們是否局限于動(dòng)機(jī)不充分的想法？我們是否投入了足夠的資源來支持早期職業(yè)研究人員和小型但有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)工作？

最后，隨著“粒子物理學(xué)項(xiàng)目優(yōu)先級(jí)評(píng)定小組”（Particle Physics Project Prioritization Panel，簡稱 P5）報(bào)告的發(fā)布，粒子物理學(xué)家齊聚一堂，為下一個(gè)十年及以后規(guī)劃路線，以解決前述的所有問題，同時(shí)為粒子物理學(xué)在美國和世界范圍內(nèi)的下一代繁榮創(chuàng)造一個(gè)健康的環(huán)境。這是每個(gè)人都應(yīng)該了解的內(nèi)容。

關(guān)于粒子物理學(xué)的偏見

關(guān)于粒子物理學(xué)，有一個(gè)常見但過于簡化的觀點(diǎn)，但不幸的是，許多人似乎都持有這一觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)大致如下：自20世紀(jì)60年代以來，標(biāo)準(zhǔn)模型已為人所知，從那時(shí)起物理學(xué)就陷入了停滯；基礎(chǔ)科學(xué)盛宴已過，理論物理學(xué)家只在研究一些與現(xiàn)實(shí)不符的糟糕想法；實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家尋找這些糟糕想法的證據(jù)，卻只是越來越精確地發(fā)現(xiàn)了“一無所獲”；自那以后，粒子物理學(xué)沒有取得任何有意義的進(jìn)展。這類觀點(diǎn)完全誤解了粒子物理學(xué)是什么，以及研究是如何進(jìn)行的。

實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)模型并不像大多數(shù)人認(rèn)為的那樣是一個(gè)完備的理論，一個(gè)類似于牛頓的引力理論、麥克斯韋的電磁理論或愛因斯坦的廣義相對(duì)論那樣的理論。標(biāo)準(zhǔn)模型更像是一個(gè)結(jié)構(gòu)框架，它告訴我們存在三代費(fèi)米子，分為夸克、帶電和中性輕子，以及傳遞強(qiáng)力、弱力和電磁力的玻色子。然而，為了了解標(biāo)準(zhǔn)模型在宇宙中是如何表現(xiàn)出來的，我們需要進(jìn)行測量。我們需要找出諸如基本粒子的質(zhì)量、夸克與各種中微子混合體的特性，以及違反對(duì)稱性的類型和數(shù)量等信息。即使知道“標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的”，也只能幫助我們部分了解宇宙的屬性。

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)模型及超越模型的真相

我們還知道，標(biāo)準(zhǔn)模型并不是現(xiàn)實(shí)的全部。例如，我們知道：宇宙曾經(jīng)充斥著更多能量，可能遠(yuǎn)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最高能量碰撞更強(qiáng)（最高可達(dá)1011倍）；宇宙不知為何充滿了暗物質(zhì)和暗能量，這兩者都不在標(biāo)準(zhǔn)模型的解釋范圍內(nèi)；宇宙不知為何充滿了物質(zhì)而沒有相應(yīng)數(shù)量的反物質(zhì)，盡管所有觀測到的粒子物理反應(yīng)在這方面都顯示出物質(zhì)-反物質(zhì)對(duì)稱性；宇宙的許多特性，如中微子質(zhì)量或基本粒子較低的靜止質(zhì)量（與普朗克質(zhì)量相比），都無法用我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的最佳描述來解釋。

我們一直在努力研究許多理論上有潛力解決這些難題的、動(dòng)機(jī)明確的方案，而且，迄今為止，實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)已對(duì)這些超出標(biāo)準(zhǔn)模型的方案施加了極其重要的約束。我們知道： 旨在解決等級(jí)問題的超對(duì)稱性（SUSY）、用于解決強(qiáng)電荷共軛宇稱（CP）問題的最初佩奇-奎因（Peccei-Quinn）對(duì)稱性、旨在解釋物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性的SU（5）大統(tǒng)一理論在現(xiàn)實(shí)中并未解決這些難題。無論解決方案是什么，它們都比這些簡單的想法更為復(fù)雜。

探索最偉大的粒子之謎

然而，這些難題依然存在，它們與粒子物理和宇宙學(xué)以及兩者之間的交叉學(xué)科都相關(guān)。請(qǐng)記住：宇宙歷史上最熱、最致密、最具能量的狀態(tài)出現(xiàn)在熱大爆炸開始后最初的幾分之一秒。宇宙固有量子性質(zhì)的最初印記是在宇宙暴脹期間播下的：這一階段先于熱大爆炸，并為創(chuàng)造了我們所有人的熱大爆炸奠定了基礎(chǔ)。而我們今天所思考的許多難題，包括暗物質(zhì)、暗能量、暴脹的本質(zhì)、中微子質(zhì)量起源以及希格斯玻色子物理學(xué)，很可能在宇宙歷史的最初階段就留下了它們的解決方案的蹤跡。

為了揭曉這些謎團(tuán)的答案，我們必須采取多種方法。是的，有通過建造高能對(duì)撞機(jī)——以最高能量、最高探測靈敏度和最快碰撞速率——這樣的粗暴方法，也有精細(xì)的方法，比如尋找稀有相互作用和核反沖、測量中微子振蕩、開展敏感于這些古老印記的宇宙觀測，以及開發(fā)能以前所未有的方式探究自然的新技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。如果想要確切地了解自然是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，我們必須以足夠聰明的方式提出正確的問題，迫使自然交出它的秘密。

這正是P5報(bào)告最終做對(duì)的地方。

在合理預(yù)算范圍內(nèi)的高影響力投資

像粒子物理學(xué)這樣的科學(xué)領(lǐng)域，在任何時(shí)候的目標(biāo)都包含四個(gè)方面：開展能夠解答當(dāng)時(shí)重大問題的科學(xué)研究，以一種可能可以提升我們認(rèn)知（如果我們足夠幸運(yùn)的話）的方式向自然提出關(guān)鍵問題；在理論和實(shí)驗(yàn)之間尋求適當(dāng)?shù)钠胶?，理論致力于理解不同模型如何改變我們能觀察和測量的現(xiàn)象，而實(shí)驗(yàn)則負(fù)責(zé)進(jìn)行這些測量；為未來研究鋪平道路，并為未來研究人員提供支持。 而且，這一切都要以一種服務(wù)于社區(qū)各個(gè)方面的方式來進(jìn)行：從大型研究合作到小型實(shí)驗(yàn)，再到技術(shù)升級(jí)和創(chuàng)新等等。

雖然P5報(bào)告確實(shí)在這四個(gè)相互競爭的優(yōu)先事項(xiàng)之間取得了堅(jiān)實(shí)的平衡，但最令大多數(shù)人感到興奮的是被指定為最高優(yōu)先級(jí)的重大科學(xué)項(xiàng)目。

粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的交匯點(diǎn)是宇宙暴脹最后時(shí)刻在最大宇宙尺度上留下的量子印記。雖然我們已經(jīng)探測到、測量到并試圖理解暴脹留下的密度和溫度波動(dòng)（也被稱為標(biāo)量模式），但暴脹還產(chǎn)生了另一種波動(dòng)：引力波波動(dòng)（也被稱為張量模式）。

所有暴脹模型都預(yù)測了相同的引力波頻譜，但不同模型預(yù)測的振幅不同。測量這些引力波信號(hào)在宇宙大爆炸余暉上的印記（或沒有留下印記）的下一代工作，被稱為第四階段宇宙微波背景（CMB-S4）實(shí)驗(yàn)，是被P5報(bào)告推薦為最高優(yōu)先級(jí)的科學(xué)工作之一。

美國目前正在進(jìn)行的最大粒子物理學(xué)項(xiàng)目可能是深層地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）。DUNE的目標(biāo)是：產(chǎn)生一束由大量不穩(wěn)定粒子（稱為π介子）組成的粒子束；讓這些π介子衰變，產(chǎn)生μ子和μ中微子或反μ中微子（以及其他粒子）；發(fā)射這些μ中微子（和反μ中微子），使它們穿過地球，從而有機(jī)會(huì)與地球內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生相互作用；然后使用一種被稱為時(shí)間投影室的特殊探測器來測量到達(dá)遠(yuǎn)端探測器的中微子。

科學(xué)家之所以想要這樣做，并且要使用如此大量的中微子進(jìn)行如此高精度的測量，是因?yàn)槿我庖环N特定類型的中微子——電子中微子、μ中微子或τ中微子——在傳播過程中不會(huì)保持為同一類型，而是在這些不同類型之間振蕩。這種長基線中微子實(shí)驗(yàn)將是對(duì)所有當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的一次跨世代飛躍，而且由于（大質(zhì)量的）中微子是目前唯一已知超越標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理現(xiàn)象，這是一個(gè)迫使我們進(jìn)一步研究的難題。它值得高優(yōu)先級(jí)的投入。

P5報(bào)告中做出的一個(gè)非常明智的決定是，暫緩對(duì)任何人提議的下一代對(duì)撞機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的投資，盡管報(bào)告承認(rèn)有必要建造一個(gè)能夠充當(dāng)“希格斯粒子工廠”的機(jī)器，來研究這一至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。他們建議，與其現(xiàn)在就承擔(dān)這筆費(fèi)用，不如先支持各種加速器設(shè)計(jì)的技術(shù)開發(fā)，看看是否有哪些進(jìn)展可以明確表明某一種設(shè)計(jì)優(yōu)于其他設(shè)計(jì)。目前，主要考慮以下三類加速器設(shè)計(jì)：

1. 未來的環(huán)形對(duì)撞機(jī)，它將是一種比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)更大的環(huán)形對(duì)撞機(jī)，可以對(duì)撞正負(fù)電子或強(qiáng)子（如質(zhì)子），從而產(chǎn)生具有最大新發(fā)現(xiàn)潛力的最高能量碰撞。

2. 未來的線性對(duì)撞機(jī)，它將對(duì)撞正負(fù)電子，產(chǎn)生非常純凈的信號(hào)，但碰撞能量不會(huì)超越當(dāng)前的極限。

3. 未來的環(huán)形μ子對(duì)撞機(jī)，它將對(duì)撞μ子與反μ子，產(chǎn)生高能量和純凈信號(hào)，但由于μ子本身的不穩(wěn)定性，總的碰撞次數(shù)最少。

這些方案都很昂貴，但每米能量增益的顯著提高將使線性對(duì)撞機(jī)大受青睞，而μ子亮度的提高則將明顯傾向于μ子對(duì)撞機(jī)選項(xiàng)：μ子對(duì)撞機(jī)被巧妙地命名為“μ子射擊”（muon shot），以紀(jì)念20世紀(jì)60年代阿波羅計(jì)劃的“登月”（moon shot）。

對(duì)于粒子物理學(xué)來說，另一個(gè)當(dāng)務(wù)之急是建造至少一臺(tái)“G3”（即第三代）暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)裝置。很多人錯(cuò)誤地認(rèn)為這些暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)失敗，但科學(xué)并非如此?？茖W(xué)會(huì)告訴你應(yīng)該去哪里尋找，而實(shí)驗(yàn)是能夠讓你發(fā)現(xiàn)什么是存在的、什么是不存在的唯一方式。在過去的30年里，我們對(duì)任何可能與正常（基于原子的）物質(zhì)發(fā)生相互作用的大質(zhì)量奇異粒子的探測敏感度提高了32萬倍，這標(biāo)志著科學(xué)史上最好的零結(jié)果。

下一代G3實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是將靈敏度提升到足夠高，使它們能夠探測到——作為已知背景信號(hào)的一部分——被科學(xué)家稱為“中微子霧”的東西，也就是宇宙中微子、由地球內(nèi)部放射活動(dòng)引起的中微子以及太陽發(fā)射的中微子共同在探測器內(nèi)引發(fā)的現(xiàn)象。盡管這些實(shí)驗(yàn)最初的目的是尋找類似弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）的暗物質(zhì)（如在超對(duì)稱或超維度情況下的暗物質(zhì)），但重要的是要認(rèn)識(shí)到，這種方法能夠探測到的不只那些受青睞的暗物質(zhì)模型，還包括其他重型奇異暗物質(zhì)候選者。

粒子物理學(xué)家正認(rèn)識(shí)到，假設(shè)我們已經(jīng)知道暗物質(zhì)會(huì)是什么樣的想法是失敗且傲慢的，他們轉(zhuǎn)而撒下一張更寬、更廣 、更普適的網(wǎng)。這表明他們正在從前幾代人的錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)。

粒子物理學(xué)未來的另一個(gè)重要方面是該領(lǐng)域認(rèn)識(shí)到了多信使天文學(xué)的極端重要性。目前，可以接收到三種來自宇宙天體的獨(dú)特信號(hào)：各種形式的光，從伽馬射線、可見光、紅外線一直到射電波；引力波，現(xiàn)在不僅能被激光干涉引力波觀測臺(tái)和室女座引力波探測器探測到，還可以通過脈沖星測時(shí)被探測到；宇宙粒子，包括來自太陽系、銀河系甚至河外源的中微子。

前兩類信號(hào)主要局限于天文學(xué)領(lǐng)域，而探測宇宙粒子的能力則是粒子物理學(xué)界最感興趣的。

位于南極的“冰立方”探測器是世界上最擅長探測與周圍冰質(zhì)物質(zhì)發(fā)生相互作用的宇宙中微子的探測器。“冰立方”已經(jīng)繪制了第一張銀河系中微子分布圖，并發(fā)現(xiàn)了來自一個(gè)銀河系外天體的中微子。這個(gè)天體是一個(gè)耀變體，或者一個(gè)其噴流正對(duì)著我們的活躍超大質(zhì)量黑洞。將“冰立方”的探測范圍和靈敏度升級(jí)到下一代水平，將能夠?qū)χ形⒆犹匦蚤_展前所未有的研究，并將促成歷史上最偉大的多信使天文學(xué)項(xiàng)目。此外，如果本星系群內(nèi)有超新星爆發(fā)，下一代“冰立方”設(shè)備將帶來無數(shù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

結(jié)論與總結(jié)

所有這些項(xiàng)目都是在一個(gè)理智、清醒的預(yù)算內(nèi)進(jìn)行的平衡投資組合的一部分。粒子物理學(xué)家并沒有要求將經(jīng)費(fèi)增加兩倍甚至十倍，而是要求美國能源部在未來十年內(nèi)將每年的經(jīng)費(fèi)保持在僅10億至20億美元之間。它們包括對(duì)早期職業(yè)科學(xué)家以及許多不同的小型實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目的支持，不僅是國家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的，還包括大學(xué)和研究中心的。他們既沒有提出一個(gè)包含所有可以想象得到的項(xiàng)目的巨大愿望清單，也沒有要求一個(gè)超級(jí)昂貴的旗艦項(xiàng)目，而是試圖在各種研究中進(jìn)行有針對(duì)性的投資，為物理學(xué)界（以及公眾）提供最大的科學(xué)“回報(bào)”。

對(duì)于任何社會(huì)的科學(xué)未來而言，基礎(chǔ)研究投資的重要性無論怎么樣強(qiáng)調(diào)都不為過。從長遠(yuǎn)來看，這種投資總是能帶來更大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和技術(shù)發(fā)展，以及在世界上的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位。但最重要的是，P5報(bào)告表明，粒子物理學(xué)家終于從過去的錯(cuò)誤中吸取了教訓(xùn)，不再傲慢地過度承諾會(huì)發(fā)現(xiàn)已知領(lǐng)域之外可能存在的東西。宇宙就在那里等待我們?nèi)ヌ剿?。通過P5報(bào)告中規(guī)劃的路線，粒子物理學(xué)可能終將會(huì)有一個(gè)光明的未來。

資料來源 Big Think

本文作者伊森 · 西格爾（Ethan Siegel）既是一位理論天體物理學(xué)家，也是一位科學(xué)作家。