“上帝粒子”发现后，谁会成为粒子物理“强心剂”？这匹“黑马”呼声正高

来源：滚动播报

（来源：上观新闻）

几年前，美国田纳西大学诺克斯维尔分校的托瓦·霍姆斯与几位同事参加了一场粒子物理学会议。他们身穿印有圆形粒子加速器及英文单词BUILD的T恤，决心为一台全新粒子对撞机的研发工作争取支持。霍姆斯说：“我们希望找到一种方式，能直观展示人们对缪子对撞机的热情。”

这款新式对撞机正是粒子物理学迫切需要的“强心剂”。在瑞士日内瓦附近，欧洲核子研究组织（CERN）粒子物理实验室的大型强子对撞机（LHC）名声显赫、成就斐然，但在发现“上帝粒子”（希格斯玻色子）后，再未有其他真正重大的新发现。霍姆斯与不少同行认为，要打破这个尴尬局面，并不是去建造比LHC更强大的设备，而是颠覆思路，造一台能让一种名为“缪子”的奇特粒子发生碰撞的机器。

在许多人看来，这一提议不过是天马行空的幻想。毕竟，缪子的寿命极其短暂。然而，随着技术的发展，这一构想正逐渐变得可行，资助机构也对此表现出浓厚兴趣。这让人们不禁好奇：这台宏伟的缪子对撞机如果真的建成了，它将揭示哪些奥秘？

“上帝粒子”发现后，粒子物理陷入困局

2012年，LHC证实了希格斯玻色子的存在。早在近半个世纪前，就有科学家提出，这种粒子或能解释自然界的基本力在早期宇宙中是如何实现首次分化的。该玻色子由希格斯场激发产生。希格斯场赋予某些粒子以质量，而对光子等其他粒子则毫无影响。

希格斯玻色子的存在，既是对物理学家关于粒子世界理论的精彩印证，同时又令人不安。因为，希格斯玻色子本身的质量小得令人费解。量子场论指出，其质量本应大得多，而它却以一种不自然的平衡状态恰好停留在维持时空真空稳定所需的水平上。

为何能如此完美地保持平衡？美国纽约州立大学石溪分校的帕特里克·米德表示，人们常将希格斯玻色子的发现视为粒子物理学的终结，“但这其实是最令人困惑的答案，它仅仅是个开始”。

但如果这确实是一个开端，那么LHC这台引擎似乎已经熄火了，因为实验粒子物理学如今正处于僵局中。要解答希格斯玻色子所引发的一系列深刻问题，就需要一台新设备——它要能通过不同于以往或更为强大的粒子碰撞，更深入地探查自然界的根基。

最直接的办法是动用“蛮力”：建造一台比LHC更大的设备。这就是“未来环形对撞机”的思路。欧洲核子研究中心正在推进这一方案，计划建造一台下一代超级质子对撞机，其环形轨道周长将是LHC的3到4倍。仅通过延长对撞距离，它就能使质子对撞能量达到前代设备的7倍以上。这将使物理学家能够发现仅在更高能谱区域才会出现的粒子或现象，同时还能探测更短的距离，从而揭示物质更基本的结构。

但质子并非基本粒子，而是由夸克和胶子组成的复合粒子。当两个质子正面相撞时，实际发生碰撞的是其内部的粒子成员，从而产生大量杂乱的次级粒子喷流，物理学家必须对产生的数据进行细致入微的分析。此外，要将LHC这类设备进一步扩大，还将面临令人瞠目结舌的造价。

另一种极端设想则是建造电子—正电子对撞机，例如紧凑型直线对撞机。这也是欧洲核子研究中心研究人员提出的方案。电子和正电子是带相反电荷的基本点状粒子，因此它们的碰撞过程要干净得多，数据也更容易解释。但难点在于，当它们沿环形轨道运动时，粒子会以辐射形式散失大量能量。直线对撞机试图通过沿直线轨道加速粒子来规避这一限制。但环形对撞机能通过多次循环回收粒子，而直线对撞机中的粒子无法被重复利用。

希格斯玻色子概念图

与时间赛跑，缪子对撞机“黑马”出世

就在此时，缪子对撞机这匹“黑马”横空出世。

缪子本质上是电子的“重表亲”，质量约为电子的200倍，但同样带负电荷。在构成日常物质的原子中，你无法观察到它们，但当高能宇宙射线撞击地球高层大气中的分子时，它们会短暂产生。由于缪子质量更大，它们在对撞机环形轨道中被弯曲时，辐射损失的能量要少得多。换句话说，无需建造规模庞大的隧道即可达到更高的能量。

与电子一样，缪子也是基本粒子，其碰撞过程相对“干净”。根据美国缪子对撞机合作组的设计研究，缪子对撞机理论上可在不比LHC大很多的环形装置内，将能量推高至当前能级上限的4倍。

其实，早在上世纪60年代，物理学家们就已开始构思缪子对撞机的方案。但他们遇到了一个难题：与质子或电子不同，缪子必须被“制造”出来。

科学家无法像获得质子或电子那样，从原子中直接“轻轻摘取”缪子，而要通过质子撞击石墨块等靶材来制造缪子——质子撞击会产生π介子的粒子雨，这些π介子随后衰变为缪子。这个撞击结果所产生的粒子束如同喷流——粒子向四面八方散射而出，能量和轨迹各不相同。此时，科学家面临的最核心挑战，就是将这种混乱的结果转化为高度聚焦、行为规整的粒子束。

另一个让科学家头疼的复杂因素是缪子不稳定。静止状态下，它们仅存活2.2微秒便会衰变为其他粒子。而质子在LHC主环中被加速至全速，需要约20分钟——这比缪子的自然寿命长约5.5亿倍。

从这个意义上讲，缪子对撞机是在与时间赛跑。物理学家必须在缪子衰变成其他粒子之前，捕获这种新生粒子的混沌云团，并对其进行压缩和加速。“你终于拥有了海滩球大小的缪子束，接着要以极快速度将其压缩至人类发丝般粗细。”米德解释道，随后必须精准引导两束超细缪子束直接对撞，从中产生高能希格斯玻色子。

加速到接近光速，缪子获得“借来的时间”

数十年来，对速度与精度的双重要求，让缪子对撞机这一构想始终未能付诸实践。美国粒子物理学家每十年召开一次名为“斯诺马斯进程”的战略规划会议。在2013年的会议上，研究人员仍认为缪子对撞机不可行，因此搁置了该方案。那一年，霍姆斯正在攻读硕士学位。

但随后十年间，一系列技术突破开始让缪子对撞机成为这一代科学家眼中发现新粒子的潜在有力工具。

随着技术进步，一项重大变革应运而生。就碰撞能量而言，相较于早期构想，研究人员认为，今天的缪子对撞机能够达到的能级明显要高得多。近期的新方案将能量提升到了30太电子伏特量级，比上世纪60年代的最初设想高出100倍。

在如此高的能量下，缪子的运动速度接近光速。根据爱因斯坦的狭义相对论，对于外部观察者而言，高速运动粒子的时间会变慢——缪子的速度越快，其“寿命”就显得越长。

这种效应极为显著。缪子对撞机只要达到10太电子伏特能级，缪子的存活时间就能长达0.1秒，这比其自然寿命延长约4.5万倍。微妙之处就在于，让缪子加速，反而能为控制束流赢得宝贵时间。

研究人员已经在利用这“借来的时间”。2020年，由伦敦帝国理工学院的肯尼斯·朗领导的缪子电离冷却实验展示了“电离冷却”技术。缪子被送入液态氢或氢化锂等物质中，这些物质会削弱它们在各个方向上的动量。随后，研究人员利用快速振荡的电场将它们向前加速，从而将原本弥散的喷流转化为紧凑且高速运动的束流。

美国麻省理工学院的杰西·塔勒觉得这听起来“简直是疯狂，近乎不可能”。十年前，他对缪子对撞机的构想持怀疑态度，但如今他表示，通过深入研究后，这一设想显得越来越可信。

定义下一个时代，哪个方案会胜出？

随着时间推移，研究人员在处理缪子方面也积累了不少实践经验。自2017年起，美国伊利诺伊州费米实验室的缪子g-2实验开始测量在磁场中循环的缪子所产生的微小摆动。此前，理论物理学家们曾以惊人的精度预测过这一数值——早期的测量结果曾暗示该数值可能偏离粒子物理标准模型。

这套模型是我们对三种基本力和基本粒子运作机制的最佳理解。数值偏离引发了人们对物理学新领域的期待，但经过计算优化，结果与标准模型重新吻合。尽管如此，该实验仍为大规模产生、储存和控制缪子，提供了来之不易的专业经验。

时间来到2022年，当霍姆斯和她的同事们身穿亲手设计的T恤参加下一届斯诺马斯会议时，缪子对撞机已然成为该领域下一代大型实验装置的主要候选方案之一。在欧洲，由CERN支持的国际缪子对撞机合作组织已开始并行研究。在美国，许多物理学家期待未来的缪子对撞机能建在费米实验室。国际缪子对撞机合作组织成员、挪威奥斯陆大学的斯泰纳·斯塔普内斯说：“缪子对撞机的概念虽然出现在几十年前，但如今，无论从科学还是技术角度来看，大家都认为它非常有趣。”

不过，缪子对撞机的推进形势尚不明朗。以上提到的每个对撞机方案，都必须先通过技术验证和试点演示，各国政府才会决定把数十亿美元的建造经费投给哪一个方案。与此同时，不同方案的支持者还将争相主张，只有自己的缪子对撞机方案才能够“定义粒子物理学的下一个时代”。

2030年原理验证，2050年有望建成

美国缪子对撞机合作组负责人塞尔戈·金达里亚尼正在领导缪子对撞机的早期可行性研究。他表示，几十年来，粒子物理学家一直沿用相同的方法，“到了某个时刻，我们需要新的方法，而缪子对撞或许正是那个突破口”。

不过，在建造全尺寸缪子对撞机之前，研究人员必须证明其关键技术在实践中可行。所以，下一步是建造一台验证装置，以测试现有技术是否能够充分制备和控制缪子束，并实现对撞。

许金祥打开实验装置，看到缪子穿过过饱和异丙醇气体留下的白色尾迹

国际缪子对撞机合作组织正在CERN内制定此类设备的相关计划，而与其合作的美国缪子对撞机合作组则在费米实验室探索类似的验证装置。

研究人员的目标是在2030年前后完成详细的技术设计。如果获得政府批准及资金支持，该验证装置有望在本世纪30年代初投入运行，从而为建造完整的对撞机提供必要的原理验证。

但霍姆斯等科学家志在长远。“如果能获得巨额资金支持，这样的设备大概会在本世纪中叶建成。”她坚信，缪子对撞机终将成为下一个举世瞩目的伟大项目。而物理学界似乎正纷纷响应这一号召。如今，不再只有她和同事们穿着缪子对撞机T恤。她说：“我很高兴，每当我走进其他科系，总能看到他们早已身着同样的T恤。”

>>>揭秘“上帝粒子”本质

如果缪子对撞机建成，它能解开哪些宇宙的谜团？研究人员认为，缪子对撞机的核心目标将是比以往任何设备都更深入地探测希格斯玻色子。

尽管这种粒子早在十多年前就被发现，但其本质至今仍令人费解。金达里亚尼说，标准模型中有十多种粒子，但没有一种具有希格斯玻色子那样的特性——它非常独特。

物理学家推测，是希格斯场塑造了早期宇宙。在大爆炸之后，宇宙逐渐冷却，而希格斯场在一次过渡过程中被激活，将统一的电弱力分裂成今天所见的相互独立的电磁力和弱力。这个过程的剧烈程度，或许有助于解释物理学中最深奥的一道谜题：为何物质得以存续，而反物质却消失了？

即便在今天，希格斯场可能也并非完全稳定。某些计算甚至隐约提示，我们的宇宙正处于一种不稳定的状态，希格斯场并未处于其可能的最低能量状态。在这种情况下，量子波动终有一天可能会将希格斯场推入更深的能量状态，这一过程被称为“真空衰变”。如果发生这种情况，宇宙的一切都将瞬间改变。

“所有具有质量的基本粒子都会变得更重，这很可能彻底重构元素体系，并引发全面混乱。”霍姆斯认为，这本质上就像有人在宇宙中开关灯，“如果灯是关着的，我们谁都不存在；如果灯是亮着的，我们才能生存。”

物理学家们早已察觉到其中存在异常。量子理论预测，与重粒子的相互作用本应使希格斯玻色子的质量达到惊人的数值。然而，其质量却仅为相对温和的1250亿电子伏特。要使这些数值吻合，需要进行极其精密的微调。

几十年来，为了解决这一矛盾，粒子物理学家们提出了多种设想。一种设想是，如果标准模型中所有已知粒子（包括希格斯玻色子）都有一个更重的“伙伴”，那么这些“伙伴”会抵消科学家们认为导致希格斯玻色子质量膨胀的影响。另一种设想是，希格斯玻色子根本不是基本粒子，而是复合粒子——它由更小的组成部分构成，就像质子由夸克组成一样。

霍姆斯指出，每种可能性都会留下“实验指纹”，缪子对撞机通过测量希格斯玻色子在高能状态下与其他粒子、与自身之间的耦合方式，来检测这些“指纹”。正是这一特点，使缪子对撞机比某些所谓“希格斯工厂”更具优势。这类“工厂”通常是指电子—正电子对撞机，旨在产生大量希格斯玻色子，但其能量水平低于缪子对撞机所能达到的水平。

原标题：《“上帝粒子”发现后，谁会成为粒子物理“强心剂”？这匹“黑马”呼声正高》

栏目主编：许琦敏 文字编辑：许琦敏 图片来源：视觉中国

来源：作者：寒潮/编译