粒子物理学终于规划出一条健康的前进之路

刘牛

许多宇宙学难题仍有待解决。通过采用广泛且多样的方法，

粒子物理学正朝着光明的未来前进。

就在十年前，粒子物理学领域看起来还处于混乱之中。大型强子对撞机刚刚启动，虽然他们发现了希格斯玻色子——标准模型预言的最后一种未被发现的粒子——但他们未能找到任何证据来支持任何一种能够带领我们超越标准模型的其他主流理论。费米实验室，能量前沿领域的先驱，永久性地关闭了其主加速器，而对像中微子质量起源、暗物质性质以及物质-反物质不对称起源等难题的研究似乎陷入了停滞，无论是在实验还是理论方面都进展缓慢。

此外，粒子物理学家自身似乎也在争论不休，不确定接下来应该做什么。建造一个比大型强子对撞机更强大的新加速器是否有足够的价值？为了研究中微子的质量，我们应该如何探测中微子的行为？我们是否充分利用了粒子物理学与宇宙学之间的联系？在寻找暗物质的过程中，我们是否局限于动机不充分的想法？我们是否投入了足够的资源来支持早期职业研究人员和小型但有价值的实验工作？

最后，随着“粒子物理学项目优先级评定小组”（Particle Physics Project Prioritization Panel，简称 P5）报告的发布，粒子物理学家齐聚一堂，为下一个十年及以后规划路线，以解决前述的所有问题，同时为粒子物理学在美国和世界范围内的下一代繁荣创造一个健康的环境。这是每个人都应该了解的内容。

关于粒子物理学的偏见

关于粒子物理学，有一个常见但过于简化的观点，但不幸的是，许多人似乎都持有这一观点。该观点大致如下：自20世纪60年代以来，标准模型已为人所知，从那时起物理学就陷入了停滞；基础科学盛宴已过，理论物理学家只在研究一些与现实不符的糟糕想法；实验物理学家寻找这些糟糕想法的证据，却只是越来越精确地发现了“一无所获”；自那以后，粒子物理学没有取得任何有意义的进展。这类观点完全误解了粒子物理学是什么，以及研究是如何进行的。

实际上，标准模型并不像大多数人认为的那样是一个完备的理论，一个类似于牛顿的引力理论、麦克斯韦的电磁理论或爱因斯坦的广义相对论那样的理论。标准模型更像是一个结构框架，它告诉我们存在三代费米子，分为夸克、带电和中性轻子，以及传递强力、弱力和电磁力的玻色子。然而，为了了解标准模型在宇宙中是如何表现出来的，我们需要进行测量。我们需要找出诸如基本粒子的质量、夸克与各种中微子混合体的特性，以及违反对称性的类型和数量等信息。即使知道“标准模型是正确的”，也只能帮助我们部分了解宇宙的属性。

关于标准模型及超越模型的真相

我们还知道，标准模型并不是现实的全部。例如，我们知道：宇宙曾经充斥着更多能量，可能远比大型强子对撞机所能实现的最高能量碰撞更强（最高可达1011倍）；宇宙不知为何充满了暗物质和暗能量，这两者都不在标准模型的解释范围内；宇宙不知为何充满了物质而没有相应数量的反物质，尽管所有观测到的粒子物理反应在这方面都显示出物质-反物质对称性；宇宙的许多特性，如中微子质量或基本粒子较低的静止质量（与普朗克质量相比），都无法用我们对现实的最佳描述来解释。

我们一直在努力研究许多理论上有潜力解决这些难题的、动机明确的方案，而且，迄今为止，实验粒子物理学已对这些超出标准模型的方案施加了极其重要的约束。我们知道： 旨在解决等级问题的超对称性（SUSY）、用于解决强电荷共轭宇称（CP）问题的最初佩奇-奎因（Peccei-Quinn）对称性、旨在解释物质-反物质不对称性的SU（5）大统一理论在现实中并未解决这些难题。无论解决方案是什么，它们都比这些简单的想法更为复杂。

探索最伟大的粒子之谜

然而，这些难题依然存在，它们与粒子物理和宇宙学以及两者之间的交叉学科都相关。请记住：宇宙历史上最热、最致密、最具能量的状态出现在热大爆炸开始后最初的几分之一秒。宇宙固有量子性质的最初印记是在宇宙暴胀期间播下的：这一阶段先于热大爆炸，并为创造了我们所有人的热大爆炸奠定了基础。而我们今天所思考的许多难题，包括暗物质、暗能量、暴胀的本质、中微子质量起源以及希格斯玻色子物理学，很可能在宇宙历史的最初阶段就留下了它们的解决方案的踪迹。

为了揭晓这些谜团的答案，我们必须采取多种方法。是的，有通过建造高能对撞机——以最高能量、最高探测灵敏度和最快碰撞速率——这样的粗暴方法，也有精细的方法，比如寻找稀有相互作用和核反冲、测量中微子振荡、开展敏感于这些古老印记的宇宙观测，以及开发能以前所未有的方式探究自然的新技术和实验室实验。如果想要确切地了解自然是如何运转的，我们必须以足够聪明的方式提出正确的问题，迫使自然交出它的秘密。

这正是P5报告最终做对的地方。

在合理预算范围内的高影响力投资

像粒子物理学这样的科学领域，在任何时候的目标都包含四个方面：开展能够解答当时重大问题的科学研究，以一种可能可以提升我们认知（如果我们足够幸运的话）的方式向自然提出关键问题；在理论和实验之间寻求适当的平衡，理论致力于理解不同模型如何改变我们能观察和测量的现象，而实验则负责进行这些测量；为未来研究铺平道路，并为未来研究人员提供支持。 而且，这一切都要以一种服务于社区各个方面的方式来进行：从大型研究合作到小型实验，再到技术升级和创新等等。

虽然P5报告确实在这四个相互竞争的优先事项之间取得了坚实的平衡，但最令大多数人感到兴奋的是被指定为最高优先级的重大科学项目。

粒子物理学和宇宙学的交汇点是宇宙暴胀最后时刻在最大宇宙尺度上留下的量子印记。虽然我们已经探测到、测量到并试图理解暴胀留下的密度和温度波动（也被称为标量模式），但暴胀还产生了另一种波动：引力波波动（也被称为张量模式）。

所有暴胀模型都预测了相同的引力波频谱，但不同模型预测的振幅不同。测量这些引力波信号在宇宙大爆炸余晖上的印记（或没有留下印记）的下一代工作，被称为第四阶段宇宙微波背景（CMB-S4）实验，是被P5报告推荐为最高优先级的科学工作之一。

美国目前正在进行的最大粒子物理学项目可能是深层地下中微子实验（DUNE）。DUNE的目标是：产生一束由大量不稳定粒子（称为π介子）组成的粒子束；让这些π介子衰变，产生μ子和μ中微子或反μ中微子（以及其他粒子）；发射这些μ中微子（和反μ中微子），使它们穿过地球，从而有机会与地球内部的物质发生相互作用；然后使用一种被称为时间投影室的特殊探测器来测量到达远端探测器的中微子。

科学家之所以想要这样做，并且要使用如此大量的中微子进行如此高精度的测量，是因为任意一种特定类型的中微子——电子中微子、μ中微子或τ中微子——在传播过程中不会保持为同一类型，而是在这些不同类型之间振荡。这种长基线中微子实验将是对所有当前实验的一次跨世代飞跃，而且由于（大质量的）中微子是目前唯一已知超越标准模型的粒子物理现象，这是一个迫使我们进一步研究的难题。它值得高优先级的投入。

P5报告中做出的一个非常明智的决定是，暂缓对任何人提议的下一代对撞机进行进一步的投资，尽管报告承认有必要建造一个能够充当“希格斯粒子工厂”的机器，来研究这一至关重要的标准模型粒子。他们建议，与其现在就承担这笔费用，不如先支持各种加速器设计的技术开发，看看是否有哪些进展可以明确表明某一种设计优于其他设计。目前，主要考虑以下三类加速器设计：

1. 未来的环形对撞机，它将是一种比大型强子对撞机更大的环形对撞机，可以对撞正负电子或强子（如质子），从而产生具有最大新发现潜力的最高能量碰撞。

2. 未来的线性对撞机，它将对撞正负电子，产生非常纯净的信号，但碰撞能量不会超越当前的极限。

3. 未来的环形μ子对撞机，它将对撞μ子与反μ子，产生高能量和纯净信号，但由于μ子本身的不稳定性，总的碰撞次数最少。

这些方案都很昂贵，但每米能量增益的显著提高将使线性对撞机大受青睐，而μ子亮度的提高则将明显倾向于μ子对撞机选项：μ子对撞机被巧妙地命名为“μ子射击”（muon shot），以纪念20世纪60年代阿波罗计划的“登月”（moon shot）。

对于粒子物理学来说，另一个当务之急是建造至少一台“G3”（即第三代）暗物质直接探测实验装置。很多人错误地认为这些暗物质实验已经失败，但科学并非如此。科学会告诉你应该去哪里寻找，而实验是能够让你发现什么是存在的、什么是不存在的唯一方式。在过去的30年里，我们对任何可能与正常（基于原子的）物质发生相互作用的大质量奇异粒子的探测敏感度提高了32万倍，这标志着科学史上最好的零结果。

下一代G3实验的目标是将灵敏度提升到足够高，使它们能够探测到——作为已知背景信号的一部分——被科学家称为“中微子雾”的东西，也就是宇宙中微子、由地球内部放射活动引起的中微子以及太阳发射的中微子共同在探测器内引发的现象。尽管这些实验最初的目的是寻找类似弱相互作用大质量粒子（WIMP）的暗物质（如在超对称或超维度情况下的暗物质），但重要的是要认识到，这种方法能够探测到的不只那些受青睐的暗物质模型，还包括其他重型奇异暗物质候选者。

粒子物理学家正认识到，假设我们已经知道暗物质会是什么样的想法是失败且傲慢的，他们转而撒下一张更宽、更广 、更普适的网。这表明他们正在从前几代人的错误中吸取教训。

粒子物理学未来的另一个重要方面是该领域认识到了多信使天文学的极端重要性。目前，可以接收到三种来自宇宙天体的独特信号：各种形式的光，从伽马射线、可见光、红外线一直到射电波；引力波，现在不仅能被激光干涉引力波观测台和室女座引力波探测器探测到，还可以通过脉冲星测时被探测到；宇宙粒子，包括来自太阳系、银河系甚至河外源的中微子。

前两类信号主要局限于天文学领域，而探测宇宙粒子的能力则是粒子物理学界最感兴趣的。

位于南极的“冰立方”探测器是世界上最擅长探测与周围冰质物质发生相互作用的宇宙中微子的探测器。“冰立方”已经绘制了第一张银河系中微子分布图，并发现了来自一个银河系外天体的中微子。这个天体是一个耀变体，或者一个其喷流正对着我们的活跃超大质量黑洞。将“冰立方”的探测范围和灵敏度升级到下一代水平，将能够对中微子特性开展前所未有的研究，并将促成历史上最伟大的多信使天文学项目。此外，如果本星系群内有超新星爆发，下一代“冰立方”设备将带来无数的科学发现。

结论与总结

所有这些项目都是在一个理智、清醒的预算内进行的平衡投资组合的一部分。粒子物理学家并没有要求将经费增加两倍甚至十倍，而是要求美国能源部在未来十年内将每年的经费保持在仅10亿至20亿美元之间。它们包括对早期职业科学家以及许多不同的小型实验和项目的支持，不仅是国家实验室内的，还包括大学和研究中心的。他们既没有提出一个包含所有可以想象得到的项目的巨大愿望清单，也没有要求一个超级昂贵的旗舰项目，而是试图在各种研究中进行有针对性的投资，为物理学界（以及公众）提供最大的科学“回报”。

对于任何社会的科学未来而言，基础研究投资的重要性无论怎么样强调都不为过。从长远来看，这种投资总是能带来更大的经济效应和技术发展，以及在世界上的科学领导地位。但最重要的是，P5报告表明，粒子物理学家终于从过去的错误中吸取了教训，不再傲慢地过度承诺会发现已知领域之外可能存在的东西。宇宙就在那里等待我们去探索。通过P5报告中规划的路线，粒子物理学可能终将会有一个光明的未来。

资料来源 Big Think

本文作者伊森 · 西格尔（Ethan Siegel）既是一位理论天体物理学家，也是一位科学作家。