深埋地下的對撞機 對標準模型的檢驗從未停止

5σ和3σ分別對應于科學結論“發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象”和“找到了新現(xiàn)象存在的跡象”，是科學家們宣告新發(fā)現(xiàn)的重要依據(jù)。對于基礎性的重大發(fā)現(xiàn)，科學界極為嚴謹嚴苛，不光要求實驗發(fā)現(xiàn)的統(tǒng)計顯著度達到5σ，還要能經(jīng)得起時間的檢驗。

吳雨生

中國科學技術大學近代物理系特任教授

2021年3月，歐洲核子研究中心(CERN)宣布，其大型強子對撞機(LHC)發(fā)現(xiàn)了四種全新的粒子，它們是四種不同的四夸克態(tài)。

迄今為止，LHC已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了共59種新強子，包括此次最新發(fā)現(xiàn)的四夸克態(tài)以及其他諸多粒子。那么，科學家們是如何確定他們發(fā)現(xiàn)了“新粒子”呢?

宣告新發(fā)現(xiàn)并不容易

20世紀70年代，科學家們創(chuàng)立了粒子物理標準模型，清楚地給出了組成世界的基本粒子的信息，包括它們的種類、質(zhì)量、電荷、自旋以及它們之間的相互作用。標準模型好比一個賓館套間的“手冊”，上面清楚詳細地說明了每一件物品的名稱、種類、數(shù)量、位置等，從而使客人能夠非常舒服地住在里面。

在過去的近半個世紀中，科學家們在實驗中發(fā)現(xiàn)的所有粒子，都能在標準模型中找到對應的身份，并且其性質(zhì)也與“手冊”中的預測基本吻合。

“科學家們通過實驗驗證并拓展理論框架，一個核心的任務是去尋找標準模型預言的但尚未發(fā)現(xiàn)的，以及超出該理論解釋范疇的新現(xiàn)象和新粒子。”中國科學技術大學近代物理系特任教授吳雨生告訴記者，這類新發(fā)現(xiàn)在人類一步一步揭開物質(zhì)世界根本規(guī)律的科學研究中至關重要。

這一點從上個世紀以來的諸多基礎科學突破中都能得到佐證：從1905年通過光電效應證實光子的存在，到2012年發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，標準模型理論預言的所有基本粒子均被發(fā)現(xiàn)。標準模型預言下的基本粒子研究，也使得人類在探索宇宙本源和物質(zhì)本質(zhì)的路上越走越遠：預測到反物質(zhì)的存在、發(fā)現(xiàn)中微子質(zhì)量并不是零、觀測到黑洞乃至探測到引力波等。“每次新發(fā)現(xiàn)都如同向靜謐深邃的潭水投入一塊石頭，激起圈圈漣漪，推進一系列新科學、新技術的誕生。”吳雨生說。

“在粒子物理實驗中，新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到底是否確鑿可信，一般用統(tǒng)計學中的顯著程度來表征。顯著度表達為高斯分布標準差的倍數(shù)，即幾倍σ(西格瑪)。”吳雨生告訴記者，倍數(shù)越大則越可信。“如果顯著度為5σ，這個新發(fā)現(xiàn)被認為確鑿無疑，以假亂真的可能性甚至低于百萬分之一，而3σ顯著度的實驗結果也較為可信，所對應的存?zhèn)胃怕蕛H為千分之一。”吳雨生說。

吳雨生告訴記者，5σ和3σ分別對應于科學結論“發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象”和“找到了新現(xiàn)象存在的跡象”，是科學家們宣告新發(fā)現(xiàn)的重要依據(jù)。對于基礎性的重大發(fā)現(xiàn)，科學界極為嚴謹嚴苛，不光要求實驗發(fā)現(xiàn)的統(tǒng)計顯著度達到5σ，還要能經(jīng)得起時間的檢驗。“另外，還要求有獨立進行的其他實驗去重復驗證其結果。”吳雨生說。

對標準模型的檢驗從未停止

“自從標準模型誕生以來，人們對標準模型的檢驗就從未停止過。”吳雨生說，探索微觀世界的奧妙，就必須要有可靠的實驗手段來觀測各類物理現(xiàn)象，這些實驗手段需要能產(chǎn)生微觀粒子并進行反應，能記錄并分析反應結果，從而與理論預言對比。“在不同方案、不同條件下進行大量精密實驗，可以全方位地檢驗標準模型，并且有可能發(fā)現(xiàn)那些稀有的、模型內(nèi)和模型外的新現(xiàn)象。”他說。

粒子物理學輕子家族中最著名的粒子是電子，電子是物質(zhì)的關鍵組成部分。但電子并不是輕子家族唯一的成員，它有兩個更重的兄弟姐妹，μ子和τ輕子，它們一起被稱為三種輕子口味或“味道”。根據(jù)粒子物理標準模型，這些兄弟姐妹之間唯一的區(qū)別應該是質(zhì)量：μ子比電子重約200倍，而τ輕子比μ子重約17倍。

按照標準模型，每種味與一個W玻色子都可能有一樣的相互作用。“輕子的味道又稱‘代’，電子、μ子以及τ輕子，分屬標準模型中的三個不同代。人類的每一代之間可能會有‘代溝’，但在標準模型中，不同代的相應輕子雖然胖瘦不一，即質(zhì)量不同，但它們都必須以相同的面貌參與微觀世界的各類聚會，即基本粒子的反應過程，這就是輕子味普適性的預言。”吳雨生說。

“這是一個很奇妙的預言，許多物理學家希望尋找違背這個普適性的新現(xiàn)象，來探究超越標準模型理論存在的可能性。”吳雨生說，近期媒體報道的LHCb的一個實驗工作，就是專注于檢驗標準模型的一個基本預言，即違背輕子普適性現(xiàn)象的可能跡象。“這個實驗結果引起了很多關注，但顯著度尚遠不足以宣稱新發(fā)現(xiàn)，并有待時間的檢驗，以及后面其他實驗的驗證。”

“輕子味的普適性已經(jīng)被在不同的過程和能量范圍內(nèi)進行了高精度的探索。盡管輕子味普適性原理已經(jīng)通過了最新的測試和檢驗，但在發(fā)現(xiàn)的許多反常現(xiàn)象被明確探測之前，大型強子對撞機實驗仍在繼續(xù)進行。”吳雨生說。

加速器與對撞機聯(lián)手尋找謎底

新的基本粒子靠什么來尋找?答案是通過加速器和對撞機。

“簡單地說，加速器就是帶電粒子借由電場增加能量，通過具有能量的帶電粒子進行科學研究，比如說去打靶或者進行對撞。比如說我們家庭中的電視機就是一個最簡單的直線加速器。”吳雨生說，電子經(jīng)過電視機的加速就會得到一定的能量，能量單位叫做電子伏特。電場是用來加速帶電粒子的，也就是給它提供能量，增加速度。

加速器可以粗略地分成兩類：一類叫做直線加速器，一類是環(huán)形加速器。直線加速器就是粒子走直線，環(huán)形加速器就是粒子通過磁場一圈一圈都在里面運轉。

“有了加速器，就可以用它進行科學研究，用帶電粒子去打原子核或者對撞。”吳雨生說，粒子撞擊人眼是看不見的，因此需要用探測器，相當于代替人眼來看對撞之后產(chǎn)生的粒子的種類、多少和特性。

對撞機也分兩類：一個是直線對撞機，粒子相向運動，在一個對撞點對撞。另一個是環(huán)形對撞機，正負電子是相對而行，一圈一圈不停地加速，再進行對撞。

“加速器既是一門物理科學，同時還是技術與工程，這是粒子加速器的一個非常重要的特點。”吳雨生說。

上世紀60年代，世界上第一臺正負電子對撞機在意大利建成。其后在日內(nèi)瓦的歐洲核子中心(CERN)，建成世界上最大的正負電子對撞機LEP。之后科學家將LEP拆除，在其隧道中建成了世界上最大的質(zhì)子對撞機LHC。

“因為我們要探索的物質(zhì)最深層的尺寸越來越小，而探測的物質(zhì)層次越深，看的東西越小，就需要‘光線’的波長越小，能量就必須越大。因此對撞機的高能量是必然需求。”吳雨生說，世界上最大的質(zhì)子對撞機LHC也是能量最高的粒子加速器，它深埋在地下100米深、總長27千米(含環(huán)形隧道)的隧道內(nèi)。

“LHC體積巨大，能將粒子加速到接近光速，這正是強磁場使粒子圍繞加速環(huán)運行的結果。其磁場強度非常大，因此如果擺在地面上，周邊很大范圍內(nèi)就不允許其他設施和人員存在。”吳雨生說，LHC深埋地下，也是為了排除其他干擾，獲得一個更純粹的實驗環(huán)境。

“大型強子對撞機能量狀態(tài)可與宇宙大爆炸后不久的狀態(tài)相比?？茖W家利用質(zhì)子碰撞后的產(chǎn)物探索物理現(xiàn)象，例如，尋找到標準模型預言的希格斯粒子，探索超對稱、額外維等超出標準模型的新物理等。”吳雨生說。

事實上，在建造LHC的過程中，科學家已經(jīng)獲得了許多改善我們生活的科研成果。比如互聯(lián)網(wǎng)最初就是歐洲核子研究中心的科學家為了解決數(shù)據(jù)傳輸問題而發(fā)明的，其他譬如癌癥治療、摧毀核廢料以及幫助科學家研究氣候變化等的一些成果，也得益于大型強子對撞機。(吳長鋒)