作者：Zeeya Merali
似乎大型強子對撞機（LHC）要尋找的東西還不夠多。它已經被委以重任，去尋找傳說中的希格斯玻色子、額外維度和超對稱性，但物理學家們現在又在其待辦事項清單中添加了更復雜的現象——包括可以解釋宇宙加速膨脹的消失的維度。有些人認為，新的和奇特的物理學跡象可能會比預期更早地在LHC中出現。
今年3月，位於瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機開始以7萬億電子伏特的能量對撞質子——這只是最終目標能量的一半，但已經比其最接近的競爭對手、位於伊利諾伊州巴塔維亞的Tevatron高出三倍。本週，粒子物理學家們聚集在巴黎舉行的國際高能物理會議（ICHEP）上，討論他們希望發現什麼——以及這些發現可能何時出現。
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仍然位居物理學家願望清單首位的是希格斯玻色子，這種難以捉摸的粒子被認為是賦予其他粒子質量的機制的一部分。緊湊渺子線圈（CMS）實驗的副發言人阿爾伯特·德·魯克表示，如果粒子物理學的標準模型正確預測了其特性，那麼收集足夠的資料來找到希格斯玻色子應該還需要大約兩年時間。
但在希格斯玻色子之外，研究人員希望看到新物理學的證據。到目前為止，加速器實驗已經反覆證實了標準模型的預測，該模型涵蓋了所有已發現的粒子、希格斯玻色子以及自然界的三種基本力：電磁力；控制放射性的弱力；以及將夸克結合在一起的強力。“這很令人惱火，因為從數學的角度來看，我們知道標準模型一定是錯誤的，”羅德島州普羅維登斯布朗大學的粒子物理學家格雷格·蘭茨伯格說。該模型在高能量（例如早期宇宙中預測的能量）下會崩潰，除非物理學家篡改數字，否則粒子相互作用的強度會給出無限大的答案。
超對稱性（SUSY）是對標準模型的一種補充，它消除了這種微調，它假設所有已知粒子都存在更重的雙胞胎。德·魯克說，這些超對稱雙胞胎可能會在幾年內在LHC中出現。
LHC的另一個重大收穫將是額外維度的證據。這些是由一些弦理論提出的，該理論將宇宙的基本組成部分描述為無休止振動的弦。如果額外維度存在，它們的存在可能會表現為碰撞碎片能量的不足，表明在碰撞中產生的一些粒子可以進入這些維度。德·魯克說，碰撞期間出現的微型黑洞也可能暴露這些維度的引力效應。
加速器已經達到了這些新粒子和奇異效應出現的所需高能量。但德·魯克說，該機器需要提高其碰撞率，以產生足夠的資料來證明罕見的異常現象不僅僅是統計上的偏差。
有些人認為，透過專注於超對稱性和額外維度，物理學家可能會錯過更早出現的新物理學跡象。加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學家佐爾坦·利蓋蒂和他的同事們計算出，隨著LHC的能量提升，它將產生足夠的碰撞來產生某些弦理論提出的假設“雙夸克”粒子的清晰訊號。“即使只有相對較少的LHC資料，如果你知道要尋找什麼，你也可以證明標準模型是錯誤的，”利蓋蒂說，他有一份他將在ICHEP上公佈的要關注的新粒子清單。
蘭茨伯格希望以更宏大的方式超越標準模型。他正在提出一個雄心勃勃的新理論，即宇宙中的維度數量隨著宇宙尺寸的增長而增加。他和他的同事們提出，宇宙最初只有一個空間維度和一個時間維度。“將宇宙想象成一條一維的線，隨著它的增長，它逐漸編織成二維的掛毯，然後進一步包裹起來以創造三維，”他說。
蘭茨伯格說，減少早期宇宙的空間維度可以避免標準模型的問題，因為不需要的無窮大隻出現在描述三個維度的方程中。該團隊還計算出，第四個空間維度將表現為一種內在能量，將三維宇宙向外推。這種效應大致與宇宙加速膨脹相匹配，目前宇宙加速膨脹歸因於神秘的“暗能量”。“暗能量是第四空間維度的回聲，”蘭茨伯格認為。
消失的維度
蘭茨伯格說，當機器接近大爆炸後不久出現的高能條件時，LHC可能會揭示一個空間維度消失的“壯觀證據”。如果他的想法是正確的，那麼LHC將很快開始進入二維宇宙。“你期望在三個維度中噴射出來的碰撞碎片，將反而被限制在一個二維平面中，”他說。
消失維度的證據可能已經在宇宙射線進入我們大氣層時產生的粒子簇射中被發現。德·魯克最近接觸了一個物理學家團隊，他們在重新分析15年前在中亞帕米爾高原收集的宇宙射線資料時發現了一些“奇怪的結果”。德·魯克說：“與預期的粒子噴流向四面八方噴射不同，這些噴流以一種無法用傳統模型解釋的方式奇怪地對齊。” CMS合作組織已經在計劃檢視是否可以在LHC中重現這種效應（M. Deile 等人 http://arxiv.org/abs/1002.3527v1; 2010）。
“蘭茨伯格的模型仍然具有高度的推測性，但它可能恰好是其特徵已被發現，”德·魯克說。“這肯定是我們想要嘗試在LHC中確認或排除的東西。”