在過去的幾天裡,關於位於日內瓦的大型強子對撞機計劃釋出一些被廣泛認為是引人入勝的——儘管不是決定性的——證據的訊息,引發了物理學界的巨大轟動。這些證據指向希格斯玻色子的存在,這種基本粒子被認為是所有物質質量的起源。
許多物理學家已經開始行動,交換關於釋出內容的謠言,並提出關於如果謠言成真意味著什麼的宏大想法。“興奮得無法自拔,”密歇根大學安娜堡分校的理論物理學家戈登·凱恩說。
使用大教堂般大小的ATLAS和CMS探測器來尋找希格斯玻色子以及其他現象的合作專案的發言人,計劃於12月13日釋出基於迄今收集的資料分析的更新,這些探測器位於大型強子對撞機(LHC)的周長27公里的質子加速器上。“不會有發現公告,但這確實會很有趣,”歐洲核子研究中心(CERN)的發言人詹姆斯·吉利斯說,CERN是LHC的所在地。
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伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室的理論物理學家喬·萊肯也是CMS合作專案的成員,他說,“無論希格斯最終會發生什麼,我想我們都會回顧這次會議說,‘這是某種事物的開始。’” (作為CMS成員,萊肯說他自己還不確定ATLAS會公佈什麼結果;他受到其合作專案規則的約束,不得透露CMS掌握的情況。)
[點選此處檢視Davide Castelvecchi為本文對萊肯進行的採訪的略微編輯的部分轉錄]
這些談話是上週宣佈的;果不其然,粒子物理學的謠言工廠高速運轉,到週末,包括Peter Woit、Lubos Motl和Philip Gibbs在內的幾位博主表示,多個匿名訊息來源洩露了一致的資訊。據說兩個實驗都看到了長期尋找的希格斯的證據,指向粒子質量約為1250億電子伏特,或125 GeV。(1250億電子伏特大致相當於125個氫原子的質量。)* 這樣的結果還不能構成確鑿的發現,低於要求的“5西格瑪”,這是統計可靠性的衡量標準。但據傳這兩個實驗已經看到了2.5西格瑪和3.5西格瑪的訊號,這加起來會給出強烈的暗示。(3西格瑪對應於發現是統計巧合的機率是1/370,儘管在粒子物理實驗中,3西格瑪的結果消失並不罕見。)
先前來自LHC及其美國前身費米實驗室的Tevatron的資料分析將希格斯玻色子的質量範圍縮小到115到140 GeV之間。但新的公告將構成LHC的兩個實驗首次對質量做出精確和一致的估計。
即使在資料公佈之前,世界各地的理論物理學家也在研究可能的含義。一些人指出,125 GeV的值對於超對稱性來說將是個好訊息,超對稱性理論預測每個粒子都有一個更重的伴隨粒子,稱為超粒子(至少對於粒子物理標準模型框架內的粒子來說,標準模型是目前公認的亞原子世界描述)。羅格斯大學的Matt Strassler說,“大多數超對稱模型都將希格斯置於140 [GeV] 左右”。長期以來,超對稱一直是擴充套件標準模型的首選,因為它將回答許多未解的問題,首先是暗物質的性質,暗物質是看不見的質量,它使星系旋轉速度比其他情況下更快。
但是,超對稱的長期支持者凱恩提出了一個更雄心勃勃的宣告。在12月5日釋出在物理學預印本網站arXiv.org上的論文中,他和他的合作者不是從超對稱而是從更徹底的物理學改革出發:弦理論。(弦理論本身就是超對稱的擴充套件。)他們的計算預測希格斯質量在122到129 GeV之間。“如果它在這個範圍內,那麼將弦理論與現實世界聯絡起來將是一個令人難以置信的成功,”凱恩說。他說,他有信心,如果即將釋出的LHC公告如預測的那樣進行,將構成弦理論的證據。“我不認為我的妻子會讓我們拿房子打賭,但我會接近,”他說。
凱恩和他的同事現在釋出他們的論文,因為希格斯質量已經被——或者即將被——限制在一個特定的範圍內,這肯定會導致一些物理學家指責這項新研究不是預測,而是“後測”。長期以來,弦理論的批評者一直聲稱該理論具有如此大的靈活性,以至於人們總是可以對其進行調整以使其預測任何東西。
此外,弦理論是否可以做出可檢驗的預測一直是有爭議的話題。“問題是,就我們所知,可能有10,000種其他方法可以從弦理論開始,並獲得相同的希格斯質量,它們在其他方面可能有所不同,”萊肯警告說。
當涉及到質量預測時,一致性並不一定意味著驗證,斯特拉斯勒指出。“如果希格斯出現在125 GeV,這也將與沒有超對稱粒子且沒有弦理論跡象的標準模型一致,”斯特拉斯勒說。
儘管如此興奮,希格斯的任何初步跡象都可能後來被證明是統計上的偶然事件。畢竟,CMS和ATLAS探測器無法直接捕獲希格斯玻色子;這些粒子會在LHC的質子碰撞中產生後立即衰變成其他粒子。相反,物理學家必須分析衰變產生的亞原子碎片並重建發生了什麼。每秒發生數千次碰撞,其中許多碰撞會產生與希格斯類似的訊號。“我們不知道是否存在希格斯的原因主要與希格斯玻色子的衰變看起來像其他型別的物理學有關,”萊肯說。“所以我們需要充分理解其他型別的物理學。這不僅僅是統計問題。”
專家說,無論下週的公告是否會實現,最終答案遲早會揭曉:一旦實驗積累了足夠的資料,他們要麼會找到希格斯玻色子並瞭解其特性,要麼會最終證明它不存在。“這只是何時發生的問題,”萊肯說。“不會是可能-是-可能-否的答案。”
*更正(12/8/11):這句話在釋出後進行了編輯。它最初錯誤地陳述了質子的質量。