粒子物理學的成就與挫敗:30年裡幾無任何關於標準模型的突破

超環面對撞機實驗/CERN

前 言

粒子物理學在過去的三十年裡一直蓬勃發展，但克莉絲汀·薩頓（Christine Sutton）指出，其中幾乎沒有任何關於標準模型的突破。

撰文 | Christine Sutton

翻譯 | 羅彬月 陳 虎

責編 | 蔣海宇

「標準模型又挺過了無人攻破的一年，」來自牛津大學的粒子物理科學家丹·帕金斯（Don Perkins）三十年前如此宣稱。

「但這對物理學來說，到底是個成就還是挫敗呢？」帕金斯的言論出現在CERN Courier雜誌1988年10月刊的一篇報導中。報導是關於幾個月前於慕尼黑召開的「第二十四屆國際高能物理大會（the 24th International Conference on High Energy Physics, ICHEP）」。

《物理世界》（Physics World）雜誌沒有報導那次會議。Courier報導稱：「即使最細緻的審視也沒能撼動標準模型、沒有發現任何漏洞，反而是異常結果在逐步消失。」

回過頭去看這些話，我覺得用同樣的話描述標準模型的現狀也十分貼切，哪怕這之間的三十年中，粒子物理學領域有了如此多的進展。

缺失的片段

粒子物理學的標準模型裡最關鍵的細節，也是帕金斯的評論針對的點，在三十年前就已被熟知（見下文方框）。但當時還有些人們沒有解決的片段，和懸而未決的問題。比如，第六種夸克，即頂夸克，和第六種輕子，即tau中微子，都還沒被發現。或許更重要的是，人們就連希格斯（Higgs）玻色子也還沒找到。

「希格斯是這個模型裡最突發奇想的部分，」保羅·蘭蓋克（Paul Langacker）在1988年的國際高能物理大會上這麼說，那時他還在漢堡的DESY實驗室工作，「唯一可以確定的是，如果希格斯粒子存在，那麼它的質量一定在0到正無窮之間！」

大會還強調了其他問題。比如說，B0介子在物質和反物質之間是否顯示出微妙的差別，即已經在較輕的K0介子中觀察到的電荷宇稱（Charge-Parity, CP）破壞？中微子是否具有質量，又能否在不同種類之間擺動？夸克能否自由地在夸克-膠子電漿這樣的極限溫度和密度中漫遊？以及，為什麼人們在地球上觀測到的太陽中微子遠遠低於預期？

這些問題中有些已有答案——這要歸功於新出現的、更為強大的粒子加速對撞機。這些對撞機在之後的幾十年裡，將標準模型的研究帶上了一個新的高度，無論是在探索的深度還是精確度上。

對這些發展來說，最關鍵的有美國的斯坦福線性加速器（SLAC）和歐洲核子研究組織（CERN）的大型電子-正子對撞機（the Large Electron–Positron Collider, LEP）。正是從它們開始，粒子加速器才得以履行自己作為「Z工廠」的使命。也是因為它們，1989年終於第一次得出了關於玻色子「寬度」的研究成果。這次的測量證明：小質量的中微子只會有三種，因此，夸克和輕子家族中只會有三代。

順理成章地，1995年，美國的費米實驗室（Fermilab）在Tevatron質子-反質子加速器中發現了頂夸克。2000年，研究人員在實驗裡用Tevatron中的質子生成一束中微子時也終於找到了tau中微子。一年後，美國的BaBar實驗和日本的Belle實驗分別用小型高密度電子-正子對撞機產生大量B介子，並在這些B介子衰變的過程中發現了電荷宇稱破壞。

來源：費米實驗室

再後來，在2000年，歐洲核子研究組織（CERN）通過重離子對撞獲得了向夸克-膠子電漿的驚鴻一瞥後，美國也接著用相對論重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider）對這一新的物質形態有了更確切和驚人的發現。截至2005年，這些發現已經表明，這種電漿並不是人們預期的氣體，反而表現得無比接近液體。

當然還有些大型的富有想像力的實驗，人們希望從粒子中尋求新能源的嘗試也獲得了許多重要發現。1998年，日本的研究者用超級神岡探測器發現，當大氣層中產生的中微子穿過地球時，會從一種類型振蕩到另一種類型。這個現象的唯一的解釋就是：這些粒子有質量。這也是人們首次得到超出標準模型的物理學跡象。

而在半個世界之外的加拿大，薩德伯裡中微子天文臺（Sudbury Neutrino Observatory, SNO）的研究者在2002年之前就終於破解了太陽中微子總是渺無蹤跡的奧秘。他們在探測了各種各樣的中微子之後，發現之前的實驗只對電子中微子敏感，因此部分從太陽中心運動出來時改變了種類的中微子被漏掉了。

希格斯及其拓張

2008年十月是《物理世界》雜誌的20周年紀念，二十年來，許多創刊時的難題已被解決，但其中最重要的一個問題還沒有：希格斯玻色子到底在哪裡？

值得慶幸的是，歐洲核子研究組織已經完成了一臺新的加速器——大型強子對撞機（the Large Hardon Collider, LHC）。大批科研人員圍著這臺突破性的機器，而在他們要攻克的難題清單中，尋找玻色子就是排名很靠前的一項。

2012年，人們花費的大量金錢和人力終於獲得了回報，長久以來尋找的玻色子終於第一露出了蹤跡。它的質量約為125MeV/c2，大概是質子的130倍。除此以外，自從2010年投入實驗，LHC已陸續將標準模型、B介子物理、和夸克-膠子電漿的研究帶往了更深入的層次。

其他領域裡激動人心的發現同樣打開了新的天地。2002年，歐洲核子研究組織首次製造出了大量的「反氫」，由此激發了一系列反氫研究。2015年，美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）在實驗中歷史性地首次發現了引力波。而今年，位於南極的冰立方中微子天文臺（IceCube）首次發現了高能宇宙中微子的一個遙遠的來源。

後兩個發現尤其反映了粒子物理學、天文學和宇宙學之間緊密的聯繫，由此粒子物理學家們將自己的技能稍作修改就可以用來探測各種各樣來自宇宙的信使。一個新的學科——「天體粒子物理學」，就這麼誕生了。

未來的挑戰

從第二十四屆國際高能物理大會以來，三十年轉瞬即逝。大會裡的「購物清單」上的問題似乎已被一一勾掉，但是當時其他的問題還沒有被解決，而新的問題也不斷被加入人們的「購物清單」。

今年的第三十九屆國際高能物理大會在首爾舉行，仍然是蘭蓋克——卻已在普林斯頓高等研究院任職——又一次就研究進展進行了總結性發言。

一方面他強調了標準模型能很好地描述低至10-16 cm的微小物質，即使研究者持續不斷的在LHC等環境中進行試驗來證明並非如此；而另一方面，蘭蓋克也強調了現階段的一些新問題。

比如，暗物質和暗能量（我們現在知道分別佔宇宙質量能量的26.8%和68.3%）的本質是什麼？物質粒子和造成交互的粒子間真的存在超對稱性嗎？物質粒子和介導其相互作用的粒子之間是否存在超對稱性？這種對稱性所要求的新粒子能幫助解釋暗物質嗎？造成物質宇宙存在的物質-反物質的不平衡的源頭又是什麼呢？量子引力理論最強大的競爭者——弦理論，是可以被驗證的嗎？

這些問題足夠粒子物理學家在之後的三十年裡不得空閒。要找出它們的答案，粒子物理學家得先設法增加設備的強度，比如預定於2025年啟動的高亮度LHC；還需要提高之後的線形或環形粒子加速器的能量。除此之外，中微子物理學領域中的研究者也在積極發展他們的粒子加速器和核反應器。

除了加速器，還有些新穎的實驗也在繼續進行，比如對構成暗物質的弱交互重粒子的搜索。同時，天體粒子物理學中的「多信使」研究，結合了宇宙射線、中微子、引力波等不同信號的測量，似乎必然會將宇宙的神秘面紗撕開更加激動人心的一角。

2018年蘭蓋克在國際高能物理大會上的發言，換句話說就是，所有這一切都將指向一個更好的標準模型，而隨著粒子物理學繼續探查最小的刻度和最高的能量，標準模型將更好地描述我們看到的宇宙。

或許在未來的三十年中，帕金斯的論斷將不再是事實，而在2048年的國際高能物理大會（如果這個大會能辦到那時候）上作總結髮言的人，將會談及一個嶄新的標準模型。

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