是時候讓粒子物理學回歸未來

超大型 加速器在近幾十年取得了非凡的發現,但我們即將看到 臺式實驗的 復興

M.斯坦利·利文斯頓(左)和歐內斯特·O·勞倫斯在加州大學伯克利分校舊輻射實驗室的27英寸迴旋加速器前。

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粒子物理學令人難以置信——它是雄心勃勃的研究和技術技能的令人驚歎的結合。理論家們構建了我們宇宙在最小尺度上的圖景,實驗家們設計了最雄心勃勃的實驗來探測這個無限小的世界。

他們的成功促成了標準模型,這是一個驚人成功的理論,也是我們對自然最完整的理解,它用少量的數字、粒子和力解釋了我們觀察到的一切。

現代粒子物理學是人類最優秀品質的勝利:創造力、好奇心和協作。


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該領域最輝煌的成就,歐洲核子研究中心的“大型強子對撞機”,是歷史上規模最大、最複雜的地面實驗。它耗資 100 億美元建造,周長 17 英里,橫跨兩個國家。它的超導磁體、質子束和強大的功率都是工程奇蹟。在任何一天,都有多達 13,000 名傑出人士在歐洲核子研究中心工作。

毫無疑問,大型強子對撞機是我這一代粒子物理學的標誌性科學機器。希格斯玻色子的發現——半個世紀前理論預測的一種粒子——是歷史上最偉大的科學成就之一。

但存在一個問題。大型強子對撞機正在達到其能量極限,建造下一個偉大的對撞機大約需要 30 年時間。考慮到所涉及的巨大複雜性和成本,這個數字是保守的。它也恰好是一個學術生涯的大概壽命。

我們真的能期望整整一代年輕人在場邊等待下一個實驗建成嗎?更重要的是,我們應該這樣做嗎?

十年來,粒子物理學家們一直在思考接下來會發生什麼。我們應該如何解決我們知識中的許多空白?暗物質的本質是什麼?我們的宇宙究竟是由什麼構成的,它是如何運作的?為什麼宇宙如此之大?為什麼引力如此之弱?  物理學遠未完成。

我認為我們應該從過去尋找答案。

第一批粒子加速器建於 1930 年代初期。約翰·考克饒夫特和歐內斯特·沃爾頓使用 200 千伏變壓器將質子加速透過一根僅八英尺長的管子。歐內斯特·勞倫斯意識到,如果將管子做成圓形,並保持粒子運動,它們將加速到更高的能量。他的第一個“迴旋加速器”直徑為四英寸半。

在早期,粒子物理學是理論、靈感、計算、工程和修補的動態、快速發展的互動。一切都融合在一起,每一次引人注目的成功都為下一次飛躍奠定了基礎,進一步激發了公眾在 20 世紀對大型科學的支援。

加速器時代非常成功,我相信它會再次成功,但在過渡時期,我們應該回歸本源。

在過去的 40 年裡,許多動機良好、重要的理論思想已經發展起來,但尚未經過實驗檢驗——不是因為它們不值得,而是因為我們一直專注於高能實驗。這些想法暗示了新的空間維度、自然界的新力和物質的新基本組成部分的存在。這些都是非常重要的想法,不能僅僅透過提高能量來檢驗。

當我們專注於超大型粒子加速器時,現代技術開闢了一個新的前沿,預示著高精度粒子物理學時代的到來。這些技術可以應用於小型、精確的實驗中,這些實驗可以尋找廣泛的新現象。這些實驗可以放在桌面上,需要 10 個人而不是 10,000 人,成本只需幾十萬美元,而不是像大型強子對撞機這樣的超級對撞機所需的數十億美元。

我們正處於臺式粒子物理實驗復興的邊緣。

在過去的十年左右,許多聰明、有抱負的年輕理論家已經開始認真思考將新技術應用於以前被忽視的領域。

他們中的三位——我以前的學生,我很自豪地說——剛剛被授予著名的“突破新視野獎”:阿西米納·阿瓦尼塔基(加拿大 Perimeter 研究所 Stavros Niarchos 基金會 Aristarchus 講席教授)、彼得·格雷厄姆(斯坦福大學助理教授)和蘇爾傑·拉傑德蘭(加州大學伯克利分校亨利·申克助理教授)。

我認為這個獎項進一步證實了這些年輕科學家正在將該領域推向重要的新方向。

作為這些傑出年輕人的前任老師,我感到非常自豪。作為一名等待數十年才能在大型強子對撞機上檢驗我的工作的理論家,我看到了三盞明燈,他們可以幫助我們避免粒子物理學中的“失落的一代”。

我希望這項新近獲獎的研究能夠以與早期粒子物理學時代相同的興奮和活力進一步受到擁抱。

如果這種情況發生,未來的幾十年將是成為一名粒子物理學家的激動人心的時代——並且,從廣義上講,也是人類探索萬物本質的激動人心的時代。

薩瓦斯·迪莫普洛斯是斯坦福大學人文與科學學院的浜本家族教授,以及加拿大滑鐵盧 Perimeter 研究所的阿基米德傑出訪問研究主席。他在粒子物理學領域的研究跨越了四十年。

Savas Dimopoulos is the Hamamoto Family Professor in the School of Humanities and Sciences at Stanford University and the Archimedes Distinguished Visiting Research Chair at Perimeter Institute in Waterloo, Canada. His research in particle physics spans four decades.

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