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  • 2012年物理學或迎來突破性的一年

    作者:中科院理論物理研究所研究員 來源:南方周末 時間:2012-02-09 17:56 閱讀:2633 [投稿]
    在過去的16年中,可以用郁悶來形容粒子物理學家的集體狀態(tài),因為他們不僅沒有發(fā)現新粒子,也沒有太多的其他發(fā)現,但是這個狀態(tài)在2012年很可能被打破。
      現在,ATLAS的局部置信度是3.6個標準誤差,CMS的局部置信度有2.6個標準誤差,分別是99.95%和99%可信。這還沒有包括人為的漲落效應。物理學家在做統(tǒng)計時,用一定的能量區(qū)間來做直方圖,這個做法有時會人為地放大漲落。所以,更加可靠的統(tǒng)計分析是整體置信度。如果考慮整體置信度,兩個組的結果都不到3個標準誤差。而在過去就有3個標準誤差的“發(fā)現”隨著時間蒸發(fā)了。
      粒子物理學家用積分亮度來表示數據量,這相當于單位面積上發(fā)生了多少次粒子事件。2011年一年的數據到底有多少?用專業(yè)術語來說,每個組的積分亮度分別是5個飛靶倒數。用直觀的比喻,大約是長2000米、寬100米、深1米的沙子數目。我們期待2012年兩個實驗組將毋庸置疑地發(fā)現上帝粒子,因為2012年的積分亮度將是2011年的4倍。如果上帝粒子的質量真的是125GeV,兩個組都會獲得5個標準誤差的置信度。
      這一次,希格斯粒子就像小偷一樣一晃而過,留下了一些痕跡,特別是兩個光子事件和四個輕子事件。有位物理學家說,他在25年前建議要重視兩個光子事件(希格斯衰變后留下兩個光子),而ATLAS和CMS分別多花了三千萬美元建了足夠好的光子探測器,這次真的派上用場了。
      深層的對稱性
      作為人所周知的“上帝粒子”,希格斯粒子除了帶給其他基本粒子質量,還負責破壞更深層次的對稱性,使得我們這個世界看上去不那么完美,卻更豐富多彩。
      根據粒子物理標準模型,世界本來不止光子和膠子沒有質量,傳遞弱相互作用的中間玻色子也沒有質量。在物理學中流傳一句話:“作用量決定動力學,對稱性決定作用量!边@里,作用量是物理學中最重要的一個量,我們且不管它的數學定義。而對稱性是我們熟悉的,例如,在真空中,沒有特殊的點也沒有特殊的方向,這對應于“平移不變性”和“轉動不變性”,前者告訴我們真空中的任意兩個點是平等的,后者告訴我們真空中所有方向是平等的。
      在這些直觀可以感到的對稱性之外,基本物理學中還有一些隱性的對稱性,它們的存在使得光子和膠子沒有質量從而產生了力。本來,弱作用也有一種對稱性,對應的傳遞弱力的中間玻色子也沒有質量。但是,希格斯粒子就像一個指針,它的存在破壞了這種對稱性(就像我們在真空里放一個指針破壞了所有方向的平等性),在破壞這種對稱性的同時賦予中間玻色子以質量。這樣,中間玻色子在真空中就像胖子一樣跑不遠,所以弱作用是短程力。
      希格斯粒子還有一個特點,就是對真空的敏感性。真空其實不空,每時每刻,一些粒子在真空中瞬時出現,又瞬時消失。真空的這個特點叫量子漲落。希格斯粒子在破壞真空的對稱性之后也“長胖了”,成為有質量的粒子,但是它的質量對瞬時產生和消失的粒子很敏感。理論家們計算后發(fā)現,其實希格斯粒子的自然質量要遠遠大于125GeV。如果希格斯粒子的質量遠遠大于125GeV,那么電子的質量和其他粒子的質量也應該很大,我們的世界就不會是目前這個樣子。那么,是什么東西在冥冥之中保護了希格斯,讓它不會吃得太胖?這是粒子物理學家數十年來一直疑惑的大問題。
      還有超對稱
      有一個也存在了數十年的對稱性可以幫助物理學家(從而幫助了整個世界!),這個對稱性叫超對稱。物理學家們用了超對稱這個名字的原因是,這種對稱性既不同于我們前面提到的空間對稱性,也不同于使得光子沒有質量的對稱性。超對稱要求對應于自然中的每一個粒子還存在另一個粒子,這些粒子我們一直沒有看到,所以超對稱也不是完美的對稱性。
      超對稱本來像一面鏡子,在鏡子的外面是自然界中所有的已知粒子,鏡子里面是所有已知粒子的鏡像——它們組成了另一個我們還沒有發(fā)現的世界,當然也存在于我們所在的同一個空間中,F在,由于某種未知的原因,這個鏡子被打破了,從而鏡子中的那些粒子與我們看到的粒子不完全一樣了,它們更重,這是迄今我們還沒有看到這些粒子的原因。但這些粒子的存在保護了希格斯粒子。當真空中粒子產生和消失使得希格斯粒子的質量變大時,那些超對稱粒子的產生和消失使得希格斯粒子質量變小。粒子物理學家們還沒有找到一個比超對稱更好的方法解決希格斯粒子的質量問題,所以多數人相信超對稱性以及超對稱粒子。
      現在,大型強子對撞機在過去一年中工作的結果告訴我們,超對稱這個理論是有機會的。原因很簡單,一個質量小于130GeV的希格斯粒子讓原來的標準模型變得很不完美。
      有幾位物理學家分析道,假如沒有新物理原理,沒有標準模型之外的新粒子,那么真空是不穩(wěn)定的,能量達到一千億GeV時,希格斯場將導致災難。雖然這個能量很高,考慮到量子力學,只要時間足夠長,那么真空總會在某一個地方開始衰變。計算表明,這個等待時間長于宇宙的現在年齡?雌饋硭坪跖c我們還活著不矛盾,但理論上,這是一個不完美的世界,甚至是一個自相矛盾的世界。所以,肯定會有新的物理原理和新粒子將真空穩(wěn)定下來。也就是說,如果希格斯粒子的質量真的是125GeV,標準模型肯定不是粒子物理的最后理論。如果足夠幸運,大型強子對撞機將會發(fā)現部分新物理原理。
      2012年肯定不是世界末日。在物理學中,2012年將是激動人心的一年,很可能載入物理學史冊甚至人類文明史冊。2012年,我們將俘獲希格斯粒子,我們可能發(fā)現新的物理學原理例如超對稱。甚至,如果足夠僥幸的話,中微子超光速將被其他實驗驗證。
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