深埋地下的對撞機 怎樣洞悉微觀世界的秘密

粒子物理系列報道②

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

迄今為止，LHC已經發現了共59種新強子，包括此次最新發現的四夸克態以及其他諸多粒子。那麼，科學家們是如何確定他們發現了“新粒子”呢？

宣告新發現並不容易

20世紀70年代，科學家們創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資訊，包括它們的種類、質量、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、數量、位置等，從而使客人能夠非常舒服地住在裡面。

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

“科學家們透過實驗驗證並拓展理論框架，一個核心的任務是去尋找標準模型預言的但尚未發現的，以及超出該理論解釋範疇的新現象和新粒子。”中國科學技術大學近代物理系特任教授吳雨生告訴記者，這類新發現在人類一步一步揭開物質世界根本規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年透過光電效應證實光子的存在，到2012年發現希格斯粒子，標準模型理論預言的所有基本粒子均被發現。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本質的路上越走越遠：預測到反物質的存在、發現中微子質量並不是零、觀測到黑洞乃至探測到引力波等。“每次新發現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，新現象的發現到底是否確鑿可信，一般用統計學中的顯著程度來表徵。顯著度表達為高斯分佈標準差的倍數，即幾倍σ（西格瑪）。”吳雨生告訴記者，倍數越大則越可信。“如果顯著度為5σ，這個新發現被認為確鑿無疑，以假亂真的可能性甚至低於百萬分之一，而3σ顯著度的實驗結果也較為可信，所對應的存偽機率僅為千分之一。”吳雨生說。

吳雨生告訴記者，5σ和3σ分別對應於科學結論“發現了新現象”和“找到了新現象存在的跡象”，是科學家們宣告新發現的重要依據。對於基礎性的重大發現，科學界極為嚴謹嚴苛，不光要求實驗發現的統計顯著度達到5σ，還要能經得起時間的檢驗。“另外，還要求有獨立進行的其他實驗去重複驗證其結果。”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象，這些實驗手段需要能產生微觀粒子並進行反應，能記錄並分析反應結果，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，並且有可能發現那些稀有的、模型內和模型外的新現象。”他說。

粒子物理學輕子家族中最著名的粒子是電子，電子是物質的關鍵組成部分。但電子並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”。根據粒子物理標準模型，這些兄弟姐妹之間唯一的區別應該是質量：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，就是專注於檢驗標準模型的一個基本預言，即違背輕子普適性現象的可能跡象。“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現，並有待時間的檢驗，以及後面其他實驗的驗證。”

“輕子味的普適性已經被在不同的過程和能量範圍內進行了高精度的探索。儘管輕子味普適性原理已經通過了最新的測試和檢驗，但在發現的許多反常現象被明確探測之前，大型強子對撞機實驗仍在繼續進行。”吳雨生說。

加速器與對撞機聯手尋找謎底

新的基本粒子靠什麼來尋找？答案是透過加速器和對撞機。

“簡單地說，加速器就是帶電粒子藉由電場增加能量，透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，一類是環形加速器。直線加速器就是粒子走直線，環形加速器就是粒子透過磁場一圈一圈都在裡面運轉。

“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，相當於代替人眼來看對撞之後產生的粒子的種類、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義大利建成。其後在日內瓦的歐洲核子中心（CERN），建成世界上最大的正負電子對撞機LEP。之後科學家將LEP拆除，在其隧道中建成了世界上最大的質子對撞機LHC。

“因為我們要探索的物質最深層的尺寸越來越小，而探測的物質層次越深，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（含環形隧道）的隧道內。

“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執行的結果。其磁場強度非常大，因此如果擺在地面上，周邊很大範圍內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境。

“大型強子對撞機能量狀態可與宇宙大爆炸後不久的狀態相比。科學家利用質子碰撞後的產物探索物理現象，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，科學家已經獲得了許多改善我們生活的科研成果。比如網際網路最初就是歐洲核子研究中心的科學家為了解決資料傳輸問題而發明的，其他譬如癌症治療、摧毀核廢料以及幫助科學家研究氣候變化等的一些成果，也得益於大型強子對撞機。

本報記者 吳長鋒