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1、LHC，遭遇危机 大型强子对撞机设备是一台埋设在法国-瑞士边疆地下的环形装置，这个加速器重达5万吨，埋设深度约101米，有27千米长，耗资约80亿美元。有来自50多个国家的超过6 000名物理学家在那里工作，其中包括101多名中国探讨人员。 “LHC又发觉了新粒子”“LHC发觉粒子名单出炉”世界各大媒体都对它怀着巨大的期盼。2022年5月，纽约时报以向物理学最重大疑问大步挺进为题对LHC做具体介绍，文中不乏这样的词汇：“他们已然打算就绪，重现宇宙诞生的景象。一次，再次，又一次事实上，每秒3千万次，让宇宙一次又一次地诞生着。”但是，近年来LHC频频遭受信任危机。 转折，一个消逝不见的信号 202
2、2年12月16日，LHC所属的两大探测器超环面仪器和紧凑u子线圈团队都发觉了一对超高能光子，它们共带有高达750GeV的能量。要知道现在已知最重的基本粒子顶夸克的能量也只不过173GeV而已。如此强大，且同时在两个独立探测器上显现的信号，以前从未出现过。于是科学家群情激扬。为了探讨这一可能变革带来的各种后果，几个月间，他们发表了 500多篇论文。 然而，在2022年采集的数据中，这个信号却消逝了怎么可能？是计算出了问题还是分析出了问题？哪根线搭错了？都不是。物理学家认为，只怪他们的运气太糟。要知道，ATLAS团队的出错概率只有不到两万分之一，CMS团队则只有不到三千分之一。 2022年8月5日
3、，在美国芝加哥召开的第38届国际高能物理研讨会上，LHC团队共同宣布，所谓的发觉新粒子只是一个幻象。“这是场噩梦”“这是一记重拳”“真是头痛”，那天，希望最终变成了悲观，大部分物理学家的反应都充溢困惑和悲观。这些理论家曾信任，鉴于它的强大功率，LHC应能为某种超越标准模型的假说供应证据。40年来，科学家提出了多种此类假说：超对称、额外维度、第五种基本力的确，标准模型的弊病众所周知：它无法说明85%的宇宙物质，无法说明宇宙中不存在反物质，也无法解决中微子的质量问题。全部这些谜团本应在巨大的圆环中找到答案：比如一些未知粒子。因此在过去的几个月间，专家们特别渴望一种新粒子能够成为其中的第一个。那么现
4、在呢？假如LHC果真一无所获，就不得不否定科学家几十年来为突破标准模型所做的理论工作！ 能量，到达设计极限 然而，LHC目前已经达到其设计能量极限，要进一步找寻新粒子，需建设能量和精度更高的机器。这或许是30年前该项目设计之初，唯一一件没人预料到的事情。 我们知道，大部分物质由分子、原子构成，原子由质子、中子组成的原子核和绕核旋转的电子构成。而质子和中子都由夸克和胶子组成，之后就没有发觉更深层次的结构了，因此夸克、胶子和电子被称为基本粒子。在物理学标准模型的62种基本粒子中，其他61种都已被试验证明了存在，只有希格斯玻色子仍旧悬而未决，它的难以捉摸也让探讨者多了几分敬畏。假如它们就存在于我们身
5、边的话，为什么这么多年都捕获不到它们的踪迹？事实上，每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯玻色子。更麻烦的是，这种粒子一旦产生，十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。由于它难以寻找又极为重要，因此也被称为“上帝粒子”。2022年，科学家宣布利用LHC发觉了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所谓的“標准模型”。 事实上，除了长期主导但并不完整的粒子物理“标准模型”中已有的成员，这台机器的对撞至今没有“呼唤”出任何全新粒子。在对撞残骸中，物理学家没有找到能够组成暗物质的粒子，没有希格斯玻色子的兄弟姐妹，没有额外维度存在的迹象，没有轻子夸克最重要的是，也没有人们苦苦找寻的
6、超对称粒子。让科学界考虑30年，却没有验证一项正确的预料让人们能看到，这不免让科学家大失所望。 噩梦？一无所获 粒子可能隐藏在各种边缘角落。比方说，假如标量顶夸克和最轻的超中微子恰巧具有几乎相同的质量，它们可能至今还隐藏着。这是因为当撞击产生一个标量顶夸克并衰变出一个超中微子时，只有很少的能量会以运动的形式释放。确定还会有其他发觉？但是越来越多的专家却预感，LHC这个硕大无朋可能终将一事无成。这的确不是一个好消息。我们必需正视这种可能性，因为可能性正在大幅增加。所谓只是验证了标准模型而已的说法越来越可信了。 新物理的缺失加深了自2022年就产生的危机，当时LHC第一次运行，证明了8TeV撞击将
7、不会产生任何超越标准模型的新物理。照旧可能有一个救星粒子在前年晚些时候或去年出现，或许，当数据经过长时间的积累，会在已知粒子身上发觉微小的惊喜，间接供应新物理的线索。但理论学家们已经渐渐起先打算接受“噩梦场景”了，那就是LHC根本无法把我们引向一个更加完整的自然理论。 信任，遭受危机 尽管我们仍旧认为科学发觉可以由一位天才在自家地下室的试验室里独力完成，但事实上，为了能把质子加速到光速的101.1011011011%，让其运动质量达到静止质量的7 000倍。整个LHC对撞系统装备有9 300块磁铁，并被冷却至-273.25。驱动这些探测器所需的电力供应是惊人的，几乎相当于北京市全部家庭用电的总
8、和。LHC耗资大约80亿美元，其后每年所需的经费约为2.86亿美元。事实上每年仅电费消耗就达2 350万美元。要维持大型强子对撞机设备的正常运转，每年的预算开支至少达10亿美元。 没有成果，假如LHC在将来20年内能做到的只不过是验证标准模型，探讨人员又如何劝服决策者和其他领域的同事接着这项工作呢？拿什么理由来提出建立下一代对撞机的安排，或者更干脆，要如何吸引青年才俊接着投身这一探讨领域？ 它曾有机会掀起一场革命。现在，好像一切探讨都结束了，LHC的葬礼或许又开启了一个新纪元。假如标准模型是完备无缺的，那么剩余给后代的理论物理学家的事业，真的稀有而枯燥了。不过人类这种企图以一种理论的建构而一劳永逸的幻想有过多次，但是都最终惊醒。标准模型假如存在无法弥补的漏洞，那么对于年轻的物理学家们，并不是一件坏事，反而可以说是理论物理学春天到来了。 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页