粒子物理的新黄金时代-李淼的财新博客-财新网

(《科学文化评论》文章，勿转)

一般认为，粒子物理的黄金时代是上世纪50年代到70年代。在那些年代，物理学家们透彻地研究了亚原子物理，包括结合核子成为原子核的强作用力，以及以beta衰变为典型的弱相互作用力。关于弱相互作用，56年中微子第一次被直接探测到，60年代人们还发现了第二种中微子，即缪型中微子，60年代晚期还发现了太阳中微子的短缺，这是第一次探测到中微子振荡的后果。关于强相互作用，60年代发现了众多强子共振态，这些共振态寿命极短，有的只有 $10^{-24}$ 秒，数量有数百种之多。另外，人们深入地研究了深度非弹性碰撞，这为后来的夸克模型提供了证据。60年代初格拉肖提出弱电统一的最初模型，60年代末温伯格和萨拉姆利用对称性破缺机制提出了严格的弱电统一模型。1973年，格罗斯等人提出了量子色动力学，解释了渐进自由以及猜测了色禁闭，到此为止，粒子物理标准模型得以确立。

从73年开始，实验粒子物理学家们只是一步一步地验证了标准模型，可以说，直到今天，从实验的结果，我们并没有发现任何标准模型解释不了的现象。当然，在70年代后，实验粒子物理学家和理论粒子物理学家都做出了非凡的成绩。前者发现了三种重夸克，以1994月4月费米实验室发现顶夸克告终。实验物理学家也发现了第三种中微子，即陶子型中微子，并且在80年代进一步证实了太阳中微子问题，90年代发现了大气中微子振荡。

理论家们也没有闲着，70年代初期发明了超对称，接着在弦论中自然地实现超对称，到了80年代中期，弦论能够完全包含引力以及粒子物理标准模型，而到了90年代中期，弦论甚至可以统一在一个理论下面，叫做M理论。一度，人们认为我们已经找到了基础物理的终极理论，就是M理论。循着另一条脉络，粒子理论家们在70年代初期到中期大力发展了大统一理论，这个理论将弱电统一理论以及描述强相互作用的量子色动力学放在一个统一的框架下，能够解释两个标准模型解释不了的问题。一个问题是为什么在标准模型中，三种相互作用的强度不同？在大统一理论中，只有一个相互作用强度，当大统一规范对称群破缺后，由于耦合常数与能量依赖的关系，分离出来了三个不同的耦合常数。另一个标准模型解释不了而大统一模型能够解释的问题是所谓温伯格角，这个角表达了弱电统一模型中两个耦合常数之间的关系（如果以两个耦合常数做一个直角三角形的勾和股，那么温伯格角就是这个三角形中的一个锐角）。不同的大统一模型假设不同的规范对称群，他们的共同特点是，预言了质子的不稳定性。起初，日本的神冈实验就是专门为了探测质子衰变设计的，完成于1983年，使用纯净水三千顿。神冈实验的全称是神冈核子衰变实验，英文KamiokaNDE，其中Kamioka是神冈町，而NDE则是Nucleon Decay Experiment的缩写。可惜，神冈实验经过一系列更新，从神冈II到超级神冈实验，都没有探测到质子衰变，这些实验给出质子寿命下限大约为 10^34} 年。这个结果一方面打击了大统一理论，另一方面，也为超对称大统一理论提供了刺激，因为后者可以压低质子衰变几率。然而神冈实验并没有白做，神冈II实验发现了大气中微子振荡以及探测到来自1987A超新星爆发的中微子，因此，神冈实验的领导人小柴昌俊获得了2002年度诺贝尔物理学奖。

从70年代中期到今天的近四十年间，理论粒子物理学家做出了卓绝的努力，提出了形形色色的理论，极大地丰富了我们对量子场论、弦论甚至宇宙学的认识，虽然，这些理论哪个是正确的还需要实验作出最终裁决。下面，我们从三个方面介绍目前正在进行的实验，以及即将进行的实验。这些实验无疑将给粒子物理学带来新的黄金时代。
在介绍三方面实验之前，我们先简要提及理论物理的两大疑难问题，这两个问题共有一个“暗”字，就是暗能量问题和暗物质问题。暗能量问题即宇宙加速膨胀问题，1998年，美国的两个研究IA型超新星小组独立发现了IA型超新星的哈勃图与宇宙减速膨胀矛盾，他们发现，对哈勃图的最佳拟合是假定存在70%左右的暗能量，25%左右的暗物质。暗能量的最简单的可能就是爱因斯坦宇宙学常数，这个常数使得宇宙加速膨胀，它的物理起源是真空能。这个发现获得了2011年度诺贝尔物理学奖。暗物质的发现历史更长，甚至可以追溯到上世纪30年代。先是Jan Oort在1932年发现银河系中恒星的速度比预计的要快，后是Fritz Zwicky发现星系团中星系的速度也比预计的要快，这毒需要存在看不见的物质来解释。从上世纪60年代晚期到70年代早期，Vera Rubin研究了很多涡旋星系的转动曲线，发现很多恒星围绕星系中心的转动速度几乎不随距离降低，确立了暗物质存在的极大可能。直到今天，暗物质还没有被任何实验直接探测到。探测暗物质将是我们下面介绍三个方面的一个。

希格斯粒子以及超出标准模型

欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）是继美国费米实验的Tevatron之后能量最高的对撞机，花了10年时间，最终在2008年建成。这台对撞机设计质心能量为14TeV，即每个质子能量为7TeV，这里TeV是一万亿电子伏特。这个能量高出Tevatron7倍。大型强子对撞机2008年9月10号首次运行，9天后两个大超导磁体烧坏。维护之后，2009年11月重新启动，经过逐渐提高能量的过程，到2010年3月达到每个质子3.5TeV，距离设计能量还有一半。2011年是LHC重要的年份，这一年，经过亮度较高的9个月的运行，LHC两个独立实验组发现了希格斯粒子存在的证据。

LHC建造的首要目标是发现希格斯粒子。希格斯粒子是标准模型中最后一个还没有被发现的例子，它在标准模型中扮演了至关重要的角色，例如，它对应的场在真空中的期待值使得弱电相互作用在低于一定能量之下分解出两种完全不同的作用，即由无质量的光子传播的电磁力和由三个重玻色子传递的弱相互作用（例如，beta衰变就是中子辐射一个带负电荷的玻色子变成质子，而带负电荷的玻色子又衰变成电子和一个反中微子）。另外，希格斯场的真空期待值还为轻子和夸克提供了质量。在弱电“统一”群破缺后，唯一可以观测到的希格斯粒子是一个不带电且自旋为零的粒子。因为希格斯粒子不带电，所以它的相互作用很微弱，另外，它的质量较大，不低于115GeV（GeV比TeV小三个两级，即10亿电子伏特），这是为什么需要LHC才能探测到它的原因。去年年底，LHC两个实验组，ATLAS和CMS宣布分别得到三个标准误差置信度的希格斯粒子证据，前者得到的中心质量是126GeV，后者得到的中心质量是124GeV，在彼此的误差范围内是吻合的。今年2月，两个实验组发表了一系列相关论文。另外，今年3月在Moriond会议上，费米实验室已经关闭的Tevatron上的两个实验组发布了对旧数据分析的结果，也宣布看到了比两个标准误差稍好的希格斯粒子的证据。

当然，要确凿无误地看到希格斯粒子，我们需要至少五个标准误差置信度，如果没有意外发生，LHC今年累积的数据量足以帮助我们发现希格斯粒子，如果希格斯粒子的质量真的是125GeV左右。当然，已有的“证据”随时可能蒸发掉，这些置信度不够的证据可能是统计涨落的结果。所以，在秋天之前，我们需要耐心地等待。

即使LHC在未来宣布没有发现希格斯粒子，我们也不能说LHC实验是失败的。有的人甚至说，没有希格斯粒子可能是更为重大的发现，因为这说明我们理解的最简单的标准模型是错的，弱电对称的破缺没有那么简单。也许弱电对称破缺是一种动力学破缺，也就是说，需要更多的对称性以及更多的费米子来破缺对称性。一个最为简单的可能是，顶夸克或者一个类似顶夸克的未知费米子由于一个未知的强作用在真空中“凝聚”，这个凝聚导致弱电对称性破缺。费米子凝聚在物理学中并不罕见，例如在低温超导中，一个电子与另一个电子形成半径较大的电子对。这个处于束缚状态的电子对其实是一个自选为零的玻色子，它能像希格斯粒子一样凝聚，即获得真空期待值。超导电性就是电子对凝聚的结果。在某种意义上，粒子物理中的中性介子也可以看成某种“希格斯”粒子，这是量子色动力学中手征对称性破缺导致的结果，手征对称性破缺就是一种动力学破缺，而介子这个“希格斯”粒子是复合粒子。所以，如果LHC将不能发现希格斯粒子，希格斯粒子是复合粒子是一种可能，它的寿命也许太短导致我们不能直接看到它。

希格斯粒子在LHC能够探测到的能量范围内“不存在”的另一种可能性是量子力学本身出问题了。在场论中，我们可以证明一个定理，即，如果量子力学线性叠加性原理严格成立，那么希格斯粒子质量的上限是1.4TeV。如果希格斯粒子的质量超过这个上限，那么由于某种原因，线性叠加原理在这个极高的能量被破坏了。

按照现有的计划，LHC将在质心能量8TeV上运行一年，直到确凿地发现希格斯粒子。此后，LHC将关机两年检查和调整，2015年重新启动，能量将逐渐提升到设计能量14TeV。在这个能量上，物理学家们将既有可能发现新粒子，例如超对称粒子，或额外维中的粒子，或其他什么物理学家根本没有能够预见到的粒子。研究暗物质的物理学家则希望LHC在这个能量允许的范围发现暗物质粒子。不论发现什么新粒子，都将是标准模型中没有的粒子，粒子物理学将毫无疑问地进入一个新的黄金时代。在这个能量上，LHC将一直运行到2021年，在这7年间，即使没有新粒子被发现，精确测量希格斯粒子以及弱电对称性也将是LHC的重要任务，另外，LHC其他实验组还会在这个能量上研究夸克-胶子等离子体以及CP破坏。这些都将是令人兴奋的物理研究。

从2022年到2032年，LHC也许会提高能量，也许不会。有一点是肯定的，LHC将加倍粒子束强度，这对进一步研究弱电物理和CP破坏都有好处。当然，如果此前已经发现了新物理和新粒子，加倍亮度也将带来更为精确的测量。这样，从2010年到2032年这23年间，LHC原则上完成了它的历史使命。但是，物理学家们还悄悄期待届时欧洲相关国家能够支持他们将质心能量提高到33TeV，LHC将在这个能量继续运行10年！

LHC的任何新发现都将加速另一个加速器的建造，即线性电子加速器，这个加速器的设计目的将是在更高的精度上研究LHC的发现。

总结一下，欧洲核子中心的LHC在今后10年甚至20年内将是能量最高的粒子物理实验对撞机，其核心物理研究是与弱电统一相关的对称性和希格斯粒子，额外的研究是CP破坏以及夸克-胶子等离子体。自然，每位粒子物理学家心目中LHC的任务还包括发现新物理例如超对称或者意料之外的新物理，以及暗物质粒子。这个最后目标与解决20世纪留下来的两朵“乌云”问题之一有关。

暗物质探测

暗物质是存在于星系和星系团中以及外围的不发光的物质。到目前为止，暗物质的证据只限于天文观测。前面提到，发现暗物质的历史比较长，已经有80年了。直到上世纪70年代，天文学家才开始重视暗物质。

暗物质的定义为：与星系和星系团共存，有引力作用，但没有电磁相互作用的物质。这些物质按照目前天文观测的结果，占所有物质总量的83%左右，剩下的17是重子物质，发光。经过长期的观测，天文学家发现，暗物质中如果含黑洞和已经燃烧完了的恒星以及其他不发光的天体，比重也很小。现在的共识是，暗物质主要成分应该是不参与电磁相互作用的粒子，这些粒子统称WIMPs（参与极弱相互作用的重粒子）。这些粒子较重，所以是非相对论性的，叫做冷暗物质，它们在星系和星系团中以及外围形成暗物质晕。它们的存在使得每个恒星感受到的引力大于恒星引起的引力，使得每个恒星绕星系中心的运动速度变大，使得星系团中的星系之间的相对运动速度变大。另外，它们对背景的星系和星系团具有引力透镜效应。除了可见的引力效应外，暗物质的存在影响了微波背景辐射以及大尺度结构的形成。

直接探测暗物质的实验已经进行多年，还没有任何具有说服力的结果。这些实验都是地下实验，选择在地下建造实验室是为了屏蔽宇宙射线已经地球表面其他辐射背景。最早开始探测暗物质的地下实验包括：位于明尼苏达的Soundan州立公园地下实验室中的CDMS实验，位于加拿大安大略省SNOLAB地下实验室的PICASSO实验，位于意大利Gran Sasso地下实验室的DAMA实验、XENON实验和CRESST实验，位于英国Boulby地下实验室的ZEPLIN-III实验，等。

地下实验室用来探测暗物质的方法有两个，一个是将晶体放在极低温的环境中探测，温度低于100毫开尔文。当暗物质粒子击中晶体中的一个原子核，原子核反冲可以被探测到，例如反冲可以产生微小的热量。最常用的晶体是锗。第二种方式是用惰性液体，暗物质粒子与液体中的原子发生反应后产生光子，这些光子可以被探测到。常用的液体有氙和氩。

到目前为止，还没有公认的暗物质被探测到事例。意大利Gran Sasso地下实验室中的DAMA实验从1996年开始收集数据（用晶体探测手段），到2002年升级，从2003年开始继续收集数据。DAMA实验发现，暗物质导致以年为周期的调制现象。也就是说，由于地球在每年不同的时间相对暗物质的平均速度不同导致暗物质引发的反冲事例数不同，这个不同会在其他背景实践之上出现年调制现象。但这个结果争议很大，因为其他实验没有证实这个现象，而其他实验用更加成熟的方法扣除了背景导致的事件。

另一个引人注目的直接探测暗物质的实验是CDMS实验，这个实验在2009年报道了两个可能的暗物质粒子碰撞事例，同样争议较大。去年9月份，CRESST实验报道了67个事例，他们的计算表明，只有万分之一的可能这些事例是背景和杂质导致的。CRESST很有可能探测到了暗物质碰撞事例，但需要其他实验证实。总的说来，以上这些未经证实的实验给暗物质探测带来了希望。至少我们有些信心相信暗物质与物质的作用不至于弱到任何现有的探测手段都将探测不到。

值得特别指出的是，中国正在锦屏山二滩水电站建设暗物质探测地下实验室，进展顺利。目前有两个实验正在准备中，一个叫CXO实验，这个实验由上海交大领导，是利用液态氙做探测器的实验。另一个实验是清华大学领导的用晶体锗的实验，已经启动。锦屏山地下实验室相对国际类似实验有一些优势，例如垂直岩石深度世界最大。由于是在山下，实验室位于水平地面上，背景辐射也很小。

如果宇宙中存在多出物质五倍左右的暗物质，那么暗物质与物质的相互作用不能太过微弱，暗物质有效碰撞半径不小于 $10^{-20}$ 厘米。虽然这是一个极小的尺度，我们有望在今后数年或稍长的时间内直接探测到暗物质。希望中国对这项事业能有很大的贡献。

探测暗物质的第二大类实验是所谓的间接探测，即不是直接观测暗物质与探测器的碰撞，而是探测宇宙空间中暗物质相互作用的后果。例如，假如暗物质粒子就是其反粒子，那么暗物质粒子之间会互相湮灭产生高能光子和正负电子，通过对高能光子和正负电子的探测，我们可以间接地探测暗物质。目前，在太空中最有名的实验是PAMELA实验，这个实验前些年探测到多余的正电子，但我们不能肯定这些正电子来自于暗物质粒子的湮灭。气球实验ATIC也发现了多余的高能电子。这些结果都有待于进一步实验验证，例如中国正在计划发射专用于探测暗物质的卫星。中国也计划在未来的空间站上进行间接暗物质探测。

总之，我们期待在今后的数年或者更长的时间内，将有暗物质探测的令人兴奋的结果。

神秘的中微子

第三个将有突破的粒子物理方向是中微子物理。中微子是标准模型中最轻的费米子，其质量应该小于或远小于1ev，所以，无论来自太阳或宇宙深空中的中微子，还是核电站以及加速器产生的中微子，都以非常接近光速的速度运动。

中微子只参与弱相互作用，不带电。这两个特点使得中微子非常难以探测到，中微子可以穿透近一光年厚的铅。所以，所有用来探测中微子的探测器的体积都非常大，只有用足够多的探测材料，我们才能探测到中微子。虽然我们平时看不到中微子，但来自太阳的中微子到达地球后每平方厘米每秒钟仍然有650亿之多。

现在已经确定，存在三种不同的中微子。中微子实验非常困难，以致从预言到探测到，每一种中微子都花了至少20年时间。中微子还有一个特点，就是三种中微子之间不停地变来变去，这种现象叫中微子振荡。中微子振荡的原因是三种中微子都没有固定的质量，它们是三种固定质量的中微子的线性叠加。没有固定质量但以固定形式参加弱相互作用的叫味，三种味和三种固定质量中微子之间存在线性变换，这个变换由一个3乘3矩阵决定。这个3乘3矩阵在过去十多年间耗费了众多中微子实验专家的巨大精力。到目前为止，已经测量了三个振荡角。2002年，因为探测太阳中微子、超新星产生中微子和宇宙射线在大气中产生的中微子，Raymond Davis和小柴昌俊获得诺贝尔物理学奖。

从去年到今年，一系列探测第三个中微子振荡角的实验取得成果，其中成果最大的是以中国为主的大亚湾中微子国际合作实验。这个实验以五个标准误差的置信度发现第三个振荡角不为零。这个结果非常重要，因为前两个振荡角已被测定并不为零，如果第三个振荡角也不为零，那么中微子就可能存在类似夸克的CP破坏效应。

中微子在P破坏物理中起到关键作用，P即宇称。早在上世纪五十年代，杨振宁和李政道认为弱相互作用最大程度地破坏了宇称对称性，这就涉及到beta衰变后的中微子的手征性，如果中微子只是左手的，那么反中微子只是右手的。但到目前为止，还没有探测到中微子的CP破坏效应。

中微子的CP破坏可能在宇宙的物质生成过程中起到决定性的作用。根据俄国物理学家萨哈洛夫的理论，在宇宙早期，物质和反物质是一样多的。造成物质略多于反物质，就需要破坏两种对称性，一种是重子数对称性，一种是CP对称性。在两种对称性都被破坏的前提下，早期宇宙中物质就可以略多于反物质，物质与反物质的湮灭结果就是我们这个物质为主的宇宙。实验发现，夸克的CP破坏不足以产生足够多的物质，所以，物理学家们将希望寄托在中微子的CP破坏上。

目前，有一系列中微子实验正在进行中，也有一系列中微子实验在准备中。这些实验有的将会更加精确地测量中微子振荡角，有的会测量中微子的CP破坏效应。还有的实验意在测量中微子的绝对质量以及解决另外一个关键问题：中微子和反中微子虽然手征不同，它们其实是同一种粒子吗？

结论

粒子物理学正处于大突破的前夜。一方面，大型强子对撞机将为我们揭开希格斯粒子的面纱，揭示弱电统一对称的真相，甚至会发现全新的粒子和全新的物理。另一方面，暗物质的直接探测和间接探测也将进入一个新的阶段，我们期待暗物质粒子的出现。最后，中微子物理在经过十多年的快速发展后，将进入一个更快的发展时期。所以，我愿意乐观地提出，粒子物理的第二个黄金时代即将来临。

话题：