耗费巨资寻找新粒子无果，物理研究方向在哪里？

　　在2015年那令人激动的几个月中，通往未知世界的大门被推开了。欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中的反常数据表明，可能存在一种新粒子，这位出人意料的造访者意味着我们所知的自然法则需要改变。然而，在得到了更多的数据后，反常现象消失了。门嘎吱一响，又关上了。

　　这是十分令人沮丧的一件事。当LHC在2012年找到希格斯玻色子时，给标准模型画上了完整的句号。标准模型是我们现有的关于物质及其运动规律的最好理论。但这个理论还有很多疑问未被解答：不能解释引力，也无法告诉我们占星系比重如此之大的暗物质的本质，以及希格斯粒子这样的粒子是怎样获得质量的。



　　LHC确实有很多值得庆祝的地方，但是更小更高精度的探测器可能会是第一个发现新物理规律的。

　　“标准模型是不完整的，这里一定还有些我们不知道的东西，”波士顿大学的粒子物理学家李?罗伯茨（Lee Roberts）说道，“但是现在看上去很难再通过LHC发现什么东西了。”

　　消极的情绪在蔓延。最近一项调查显示，在马德里参加一个研讨会的54个物理学家中，有29%的人认为LHC不会发现新东西了。而造一个更大的对撞机即便不是完全不可能，也不怎么现实，那现在该怎么办呢？

　　答案是向着高精度迈进，而不是高功率。基于这个理念，有一批实验正在检查常见的粒子，希望能找到粒子异常行为的极其微弱的信号。而这些反常行为，可能暴露了新物理现象带来的影响。这类实验并不容易，但以小搏大，本文介绍的研究有可能打败那些大型加速器。

　　标准模型中最著名的反常角色就是中微子。

　　在标准模型的原始版本中，这些不活跃且多变的粒子是没有质量的。但在1998年，深埋于日本一座山下，存有50000吨水的实验装置却表明事实并非如此。中微子3种“味道”――电子中微子，μ中微子和τ中微子――超级神冈探测器捕捉到来自大气层上空的μ子中微子变成了其他两种。

　　“中微子振荡”只有在这三种味具有不同质量的情况下才有可能发生，这也表明中微子都有质量，尽管质量很小。这项发现荣获2015年的诺贝尔物理学奖。不过，尽管中微子振荡显然暴露了标准模型之外的什么东西，但是究竟是什么，我们仍不清楚。

　　“有多种修改标准模型，使之可以解释中微子振荡的方法，”超级神冈探测器合作组成员、波士顿大学的艾德?卡恩斯（Ed Kearns）说道，“我们现在主要做的是，将我们所能想到的所有可测量的中微子性质放到一起，仔细检查，看是否有什么东西被我们遗漏掉了。”

　　一种可能的方向是，检验中微子和它们的反物质（反中微子）的振荡方式是否有所不同，也就看中微子是否遵循CP对称。

　　标准理论认为大爆炸制造了相等数量的物质和反物质，而且在物理定律中，两者是等同的。但这不可能是完全正确的。物质和反物质相遇时会湮灭，所以我们生活在由物质主导的宇宙中这一事实，就说明CP对称一定以某种方式被破坏了。

　　事实上，我们知道，四种自然力中的弱核相互作用对物质和反物质的效果就不一样，但是这也不足以解释为什么物质占主导。这表明，还需要一种未知的力来解释余下的差异。此外，因为中微子很难通过已知的力相互作用，如果它们受这种新的力影响，那么其现象应该会更容易被发现。


超级神冈探测器（来源：东京大学宇宙射线研究所）

　　东京大学超级神冈探测器的水箱还可以检测到距离其296千米来自日本东海对撞机产生的中微子和反中微子。在2016年7月，这项名为T2K的实验观测到了中微子和反中微子不同的振荡信号。“这基本上可以说是标准的CP破缺现象，”卡恩斯说道，“如果的确存在，你就可以严肃思考中微子部分对宇宙物质和反物质不对称的贡献。”

　　然而事情还没有结束。在其探测到的数百万个μ中微子中，T2K检测到32个变成了电子中微子，同时只发现4个反μ中微子转变为了相应的反电子粒子。这还不足确定无疑地说CP对称被破坏了。T2K仍然在收集数据，美国的一个同类型的、叫为NOvA的实验应该有助于证实T2k的结果。

　　中微子还能通过其他方式向我们展示新物理。除了T2K实验的结果，中微子还可能在另一个方面让我们大吃一惊，它们有可能是自己的反粒子，这种性质会在一种很罕见的放射衰变中展现出来。或者，有可能证明存在第四种，更加不活跃的“惰性”中微子，这种粒子比LHC中产生的任何粒子都要重，同时也是暗物质的有力候选者。

　　因为我们一直在摆弄这两种粒子，在我们看来电子和中子应该没有秘密。所以关于这些平凡粒子的任何意外都意义重大。

　　标准模型预言它们是完美的球形。但任何一种未知的奇异粒子都可能对这些普通粒子产生一些细微的效应，挤压或者拉扯它们，使其偏离球形。具体来说，它们会产生电偶极矩：粒子中的正电荷和负电荷会略微分开一点。

　　“如果你测到了电偶极矩，那你毫无疑问地知道这就是新物理，”西雅图华盛顿大学的Brent Graner说。这使得电偶极矩成为一个十分有吸引力的目标，特别是对一些预算很少的物理学家，因为寻找电偶极矩的实验相对来说能标较低，耗资较少。

　　其诀窍是仔细测量名为自旋的性质。就像旋转的陀螺由于重力所加的力矩而轻微晃动一样，具有电偶极矩的粒子也会在电场中晃动。问题是这个晃动非常细微，所以极难检测到。

　　通过使用超冷态氧化钍分子来放大变形，哈佛大学的冷分子电子电偶极矩实验（ACME）对电子的球形形状做了目前为止最为精确的测量。在2013年，该实验室发现，电子的电偶极矩小于10^-28 ecm，ecm是电子电荷量乘以厘米，是一个量度正负电荷偏离程度的单位。

　　ACME团队成员，耶鲁大学的David DeMille做了另一个类比：如果电子是地球大小，它的形状与完美球形的偏差，就相当于把球顶部的10纳米薄片削下放到球底部一样。这个团队现在还在改进实验，以提高其敏感度。

　　与此同时，美国橡树岭国家实验室的nEDM实验正在检测中子。之前的一系列实验表明，中子与完美球形的偏差是万亿分之一。nEDM将实验装置安放于超流氦中，使其精度又提高了100倍。这使得实验团队可以增强施加在中子上的电场，并降低中子的速度，从而大大提高观测到中子偏离球形的几率――如果它的确不是完美球形的话。

　　在西雅图，Graner的实验在观察汞原子。还有人建议观察质子的电偶极矩，来搜寻一种名为轴子的假想暗物质粒子。

　　这些实验针对的都是LHC可能无法直接观测到的粒子效应。LHC主要靠质子相撞，创造出短暂存在的大质量粒子，科学家可以根据根据这些粒子留下的残骸辨认出它们。能量更高，就能产生质量更大的粒子。然而，即使是在设计能达到的最高能标，LHC能找到的最重粒子也只是4~5TeV，DeMille说。

　　与之不同的是，以ACME现有的敏感度，它可以探测到质量达到7~8TeV的粒子，如果真存在这类粒子的话。该团队提出的改进方案可以进一步扩展探测极限，从而看到质量高达40TeV的粒子。更进一步的调整甚至可能达到100TeV。

　　“通过这些高精度的测量，这个实验的灵敏度可能足以探测到质量超出任何一个加速器能力范围的新粒子，”DeMille说，“肯定超过目前所有正在运行的加速器，可能也超过了任何一个设想中的加速器。”

　　磁性异常：μ子正准备登场

　　电子的不为人所知的表亲，μ子，15年前就被发现行为异常了。我们可能就快找到是什么导致了其异常行为了。

　　两种粒子都相当于旋转的带电球，所以它们会产生磁矩，对于你我来说就是南极和北极。在1928年，物理学家保罗?狄拉克计算了与这个磁矩相关的一个名为g因子的量，这个量对于μ子和电子来说应该准确等于2。但是当我们在20世纪40年代测量电子的磁矩时，g因子比计算得到的大一点：更像是2.002。

　　我们之后发现这是由于虚粒子对电子的磁矩有轻微的影响，按照量子力学原理，这种粒子会不断地从真空中出现和湮灭。“就像是电子有个从真空中出现的舞伴，抓住它的手绕着它旋转，”费米实验室的Chris Polly说，这一效应在μ子上表现得更为明显，因为其质量比电子大207倍。“μ子周围似乎会产生更多的虚粒子。”这使μ子特别适合用来寻找超对称理论预言的重粒子。超对称是一个标准模型的扩展理论，颇受物理学家欢迎，但到目前为止LHC还未能探测到它预言的粒子。

　　物理学家观测到的磁矩差异主要是由于电子和正电子等寻常粒子的作用，加上一点夸克、W和Z玻色子，以及希格斯波色子的影响，这些粒子狄拉克当初还不知道，但如今已经是标准模型的基本元素。然而，2001年布鲁克海文国家实验室的E821实验表明，μ子的磁矩更加反常，比标准模型预测的还大了约40亿分之一。这个异常在统计上还不够显著，并不足以算作一个发现，该实验也在这个团队验证其实验结果之前关闭了。但是一个名为μ子g-2的新实验给我们了另一机会。

　　在2013年，E821用过的探测器，一个直径15米的巨大环状超导磁体被抬上了从纽约前往芝加哥的船（下图为运输图）。在那里，它会使用费米实验室的μ子束重新运行。新的实验在2017年春天启动，在同年10月开始获得高质量的数据。实验团队的物理学家希望在2018年发布首批结果，证实布鲁克海文实验是正确。


Muon g-2探测器（来源：布鲁克海文国家实验室）

　　对于Polly来说，这也是很私人的一件事。他利用布鲁克海文的数据完成了他的博士研究，同时他从μ子g-2实验启动时就是这个项目的负责人。“我一直焦虑地怀疑那个15年之前的结果是否真实的，如果结果是真的而且很有趣，”他说，“对我来说能够在这里重新研究μ子将会很不错。”

　　质子，原子核的基本成分，被认为是绝对稳定的，也就是说它不会衰变。如果不是这样，那么一定存在某种新的力控制它的消亡。但从没有人见过质子衰变，而且绝不是因为我们没有注意观察。

　　这将我们又带回了日本山中的巨大水箱。虽然超级神冈主要做中微子相关的实验，但它的探测器自从运行以来的20年也在同时等待质子衰变。它在寻找一种很特殊的闪光：中微子撞击时，会释放出传播方向与其相同的蓝色闪光，而质子衰变与之不同，发出的光与原粒子的运动方向相反。“我们需要在大部分都是相同方向事件的数据中筛选，找到粒子和光方向相反的事件，”Kearns说，“我们只能等待。我们无法使这一过程加速。”

　　质子的衰变可能有好几种方式，对于你需要等多久才能看到衰变发生，不同方式给出的估算结果也是不同的。对大多数物理学家青睐的那种衰变方式，超级神冈实验得到的最精确限制是2014年发布的每5.9×10^33年一次。

　　但是，一些假设所有的力都会在极高能标下表现为一种力的“大统一理论”认为，质子的寿命为10^30~10^35年，这也就是说我们可能有机会在超级神冈中发现正在死亡的质子。“它可能就在前面拐角处，也有可能下一代实验都无法探测到，”Kearns说，“这就是宇宙交到我们手中的东西。”

　　在物理学家所说的“精确前沿”上，也就是在极度灵敏的测试中寻找新物理规律，可以说前景光明。但是作为间接实验，这类研究专注于发现新粒子带来的效果而不是制造出新粒子，因此它们也有缺点：其中一点是，它们无法告诉你新物理究竟是什么。

　　“这是个难题，”前LHC研究员，现在任职于瓦尔帕莱索大学的Adam Gibson说，“如果你能够在对撞机上制造出一些东西，你更有希望解释它到底是什么。”

　　也许现在说LHC毫无机会还太早了。这个对撞机在2015年的重大升级后重新启动，在达到其最大设计能量前，仍有许多工作要做。所以虽然第一次的对撞没有找到理论物理学家预言的东西，之后的运行总有可能找到他们意料之外的东西。即使它没有发现新粒子，LHC也可以对它已经探测到的粒子进行高精度测量，来检验它们是否一直都与标准模型相符，Gibson说。

　　不管它的结果是什么样的，没有新东西出现会是很奇怪的，DeMille说，“所有人都相信一定存在着新粒子。它们不存在才是怪事。”

　　翻译：张克文 审校：韩晶晶