歐洲核子研究中心的粒子對(duì)撞機(jī)將很快重啟。“可能會(huì)發(fā)生一場(chǎng)革命，”科學(xué)家說。

在日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)，一名工人在 2020 年維護(hù)期間使用自行車在其 17 英里的隧道中導(dǎo)航。信用...Valentin Flauraud/法新社-蓋蒂圖片社

4 月，位于日內(nèi)瓦郊外的歐洲核子研究中心 (CERN) 的科學(xué)家們?cè)俅伟l(fā)射了他們的宇宙炮——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。在因維修和升級(jí)而停工三年后，該對(duì)撞機(jī)已恢復(fù)在其 17 英里的電磁地下跑道周圍發(fā)射質(zhì)子——氫原子的裸露內(nèi)臟。七月初，對(duì)撞機(jī)將開始將這些粒子碰撞在一起以產(chǎn)生原始能量的火花。因此，在新的發(fā)展和粒子物理學(xué)家重新燃起希望的情況下，尋找宇宙秘密的偉大游戲即將再次上演。甚至在翻新之前，對(duì)撞機(jī)就已經(jīng)暗示大自然可能隱藏著一些壯觀的東西。倫敦帝國理工學(xué)院的粒子物理學(xué)家 Mitesh Patel 在 CERN 進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他將他之前運(yùn)行的數(shù)據(jù)描述為“我在職業(yè)生涯中看到的最令人興奮的一組結(jié)果”。十年前，歐洲核子研究中心的物理學(xué)家因發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子而成為全球頭條新聞，希格斯玻色子是一種長期尋找的粒子，它將質(zhì)量賦予宇宙中的所有其他粒子。還有什么要找的?樂觀的物理學(xué)家說，幾乎所有的東西。

當(dāng)歐洲核子研究中心對(duì)撞機(jī)于 2010 年首次啟動(dòng)時(shí)，宇宙正處于爭(zhēng)奪之中。這臺(tái)機(jī)器是有史以來最大、最強(qiáng)大的機(jī)器，旨在尋找希格斯玻色子。該粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，標(biāo)準(zhǔn)模型是一組方程式，解釋了科學(xué)家們能夠測(cè)量的關(guān)于亞原子世界的一切。

但是標(biāo)準(zhǔn)模型沒有解釋關(guān)于宇宙的更深層次的問題：宇宙從何而來?為什么它是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成的?彌漫宇宙的“暗物質(zhì)”是什么?希格斯粒子本身是如何具有質(zhì)量的?物理學(xué)家希望在 2010 年大型對(duì)撞機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)能夠找到一些答案。除了希格斯粒子，什么都沒有出現(xiàn)——尤其是沒有新的粒子可以解釋暗物質(zhì)的本質(zhì)。令人沮喪的是，標(biāo)準(zhǔn)模型仍然沒有動(dòng)搖。

歐洲核研究中心 (CERN) 的控制室于 4 月重新開放。信用...皮埃爾阿爾布伊/路透社

對(duì)撞機(jī)于 2018 年底關(guān)閉以進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)和維修。根據(jù)目前的時(shí)間表，對(duì)撞機(jī)將運(yùn)行到 2025 年，然后再關(guān)閉兩年，以便安裝其他廣泛的升級(jí)。在這組升級(jí)中，對(duì)位于質(zhì)子束碰撞并分析碰撞碎片的四個(gè)點(diǎn)的巨型探測(cè)器進(jìn)行了改進(jìn)。從 7 月開始，這些探測(cè)器將為它們完成工作。質(zhì)子束被擠壓以使其更加強(qiáng)烈，增加了質(zhì)子在交叉點(diǎn)碰撞的機(jī)會(huì)——但以需要相互區(qū)分的多次噴射粒子的形式給探測(cè)器和計(jì)算機(jī)造成了混亂。

“數(shù)據(jù)將以比我們習(xí)慣的速度更快的速度進(jìn)入，”帕特爾博士說。曾經(jīng)在每個(gè)光束交叉處僅發(fā)生幾次碰撞，現(xiàn)在將有五次以上。

“從某種意義上說，這讓我們的生活變得更加艱難，因?yàn)槲覀儽仨毮軌蛟谒羞@些不同的互動(dòng)中找到我們感興趣的東西，”他說。“但這意味著看到你正在尋找的東西的可能性更大。”與此同時(shí)，各種實(shí)驗(yàn)揭示了標(biāo)準(zhǔn)模型中可能存在的裂縫——并暗示了一種更廣泛、更深刻的宇宙理論。這些結(jié)果涉及亞原子粒子的罕見行為，我們?cè)谟钪婵磁_(tái)上的大多數(shù)人都不熟悉其名稱。以 μ 子為例，它是一種亞原子粒子，去年曾一度出名。μ子通常被稱為脂肪電子。它們具有相同的負(fù)電荷，但質(zhì)量是其 207 倍。“誰命令的?” 物理學(xué)家伊薩多·拉比 (Isador Rabi) 在 1936 年發(fā)現(xiàn) μ 子時(shí)說。沒有人知道 μ 子在宏偉計(jì)劃中的位置。它們是由宇宙射線碰撞和對(duì)撞機(jī)事件產(chǎn)生的，它們?cè)趲孜⒚雰?nèi)放射性衰變成一團(tuán)電子和稱為中微子的幽靈粒子。去年，伊利諾伊州費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)由大約 200 名物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的 μ 子擺動(dòng)速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)。與理論預(yù)測(cè)的差異出現(xiàn)在一個(gè)名為 g-2 的參數(shù)值的小數(shù)點(diǎn)后八位，該參數(shù)描述了粒子如何響應(yīng)磁場(chǎng)。科學(xué)家們將這種微小但真實(shí)的差異歸因于未知粒子的量子低語，這些粒子將在 μ 子周圍短暫實(shí)體化并影響其特性。確認(rèn)粒子的存在最終將打破標(biāo)準(zhǔn)模型。

位于伊利諾伊州巴達(dá)維亞的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器實(shí)驗(yàn)室。在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)建成之前，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的 Tevatron 是世界上最強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)。信用...美國能源部

但兩組理論家仍在努力協(xié)調(diào)他們對(duì) g-2 應(yīng)該是什么的預(yù)測(cè)，同時(shí)等待來自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的更多數(shù)據(jù)。“g-2 異常仍然非常活躍，”伊利諾伊大學(xué)的物理學(xué)家 Aida X. El-Khadra 說，他幫助領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)為期三年的名為 Muon g-2 理論倡議的努力，以建立共識(shí)預(yù)測(cè)。“就我個(gè)人而言，我樂觀地認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型中的裂縫會(huì)導(dǎo)致地震。然而，裂縫的確切位置可能仍然是一個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)。”介子也出現(xiàn)在另一個(gè)異常中。這部戲劇中的主角，或者可能是反派，是一種稱為 B 夸克的粒子，它是構(gòu)成質(zhì)子和中子等較重粒子的六種夸克之一。B 代表底部，或者，也許，美麗。這種夸克出現(xiàn)在稱為 B 介子的二夸克粒子中。但是這些夸克是不穩(wěn)定的，很容易以違反標(biāo)準(zhǔn)模型的方式分崩離析。B夸克的一些罕見衰變涉及菊花鏈反應(yīng)，最終形成一種不同的、更輕的夸克和一對(duì)稱為輕子的輕質(zhì)粒子，要么是電子，要么是它們豐滿的表親，μ子。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為電子和μ子同樣可能出現(xiàn)在這個(gè)反應(yīng)中。(還有第三種更重的輕子稱為 tau，但它衰減太快而無法觀察到。)但帕特爾博士和他的同事發(fā)現(xiàn)的電子對(duì)比 μ 對(duì)多，違反了稱為輕子普遍性的原理。“這可能是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型殺手，”帕特爾博士說，他的團(tuán)隊(duì)一直在用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的大型探測(cè)器之一 LHCb 研究 B 夸克。這種異常，就像μ子的磁異常一樣，暗示著一個(gè)未知的“影響者”——一種干擾反應(yīng)的粒子或力。

帕特爾博士說，如果這些數(shù)據(jù)在即將到來的對(duì)撞機(jī)運(yùn)行中能夠成立，那么最??引人注目的可能性之一就是稱為輕夸克的亞原子推測(cè)。如果粒子存在，它可以彌合構(gòu)成物質(zhì)宇宙的兩類粒子之間的差距：輕子——電子、μ子和中微子——以及由夸克構(gòu)成的更重的粒子，如質(zhì)子和中子。誘人的是，有六種夸克和六種輕子。

帕特爾博士說：“我們將以更加樂觀的態(tài)度進(jìn)入這場(chǎng)比賽，認(rèn)為可能會(huì)發(fā)生一場(chǎng)革命。” “手指交叉。”這個(gè)動(dòng)物園里還有另一種表現(xiàn)奇怪的粒子：W 玻色子，它傳達(dá)了所謂的導(dǎo)致放射性衰變的弱力。5 月，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 (Fermilab) 的對(duì)撞機(jī)探測(cè)器 (CDF) 的物理學(xué)家報(bào)告了一項(xiàng)為期 10 年的努力來測(cè)量這種粒子的質(zhì)量直到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)建成。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Paolo Girotti 在 2017 年通過 Muon g-2 實(shí)驗(yàn)調(diào)整儀器。信用...Reidar Hahn/美國能源部

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型和之前的質(zhì)量測(cè)量，W 玻色子的重量應(yīng)該約為 803.57 億電子伏特，這是物理學(xué)家青睞的質(zhì)能單位。相比之下，希格斯玻色子重達(dá) 1250 億電子伏特，大約相當(dāng)于一個(gè)碘原子。但是 W 的 CDF 測(cè)量值是有史以來最精確的，比預(yù)期的要高 804.33 億。實(shí)驗(yàn)者計(jì)算出，在 2 萬億分之一(物理學(xué)術(shù)語中為 7-sigma)中，只有一次機(jī)會(huì)表明這種差異是統(tǒng)計(jì)上的僥幸。W玻色子的質(zhì)量與其他粒子的質(zhì)量有關(guān)，包括臭名昭著的希格斯粒子。所以這個(gè)新的差異，如果它成立，可能是標(biāo)準(zhǔn)模型的另一個(gè)裂縫。盡管如此，隨著更多數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，所有三位反常現(xiàn)象和理論家對(duì)革命的希望都可能化為烏有。但對(duì)于樂觀主義者來說，這三者都指向一個(gè)令人鼓舞的方向，即隱藏粒子或干擾“已知”物理的力。

“因此，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，一個(gè)可以解釋 g-2 和 W 質(zhì)量的新粒子可能觸手可及，”在 CERN 從事其他實(shí)驗(yàn)的威斯康星大學(xué)物理學(xué)家凱爾·克蘭默 (Kyle Cranmer) 說。

歐洲核子研究中心和倫敦國王學(xué)院的理論家約翰·埃利斯指出，至少已經(jīng)發(fā)表了 70 篇論文，提出了對(duì)新的 W 質(zhì)量差異的解釋。“其中許多解釋還需要大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可能接觸到的新粒子，”他說。“我提到暗物質(zhì)了嗎?所以，有很多事情要注意!”在即將到來的跑步中，帕特爾博士說：“這將是令人興奮的。這將是一項(xiàng)艱苦的工作，但我們真的很想看看我們得到了什么，以及數(shù)據(jù)中是否有真正令人興奮的東西。”他補(bǔ)充說：“你可以從事科學(xué)事業(yè)，但不能說一次。所以感覺像是一種特權(quán)。”