大型对撞机：指向上帝粒子背后未知的望远镜？| 科学人

本文作者：阮曼奇，中国科学院百人计划副研究员。曾于2005至2013间参与法国巴黎国际直线对撞机项目。目前从事CEPC的探测器设计及模拟研究。 

粒子物理与标准模型

粒子物理是一门古老而又年轻的学科。它负责回答人类最古老、最深刻的两个问题：世界是由什么组成的？它们的运行规则是什么？在这个意义上，上至古希腊的四元素说和中国的五行理论，人类一直在试图回答这个问题。

借助于不断进步的技术手段，人类对这两个问题的理解也在不断加深。人们不断发现原有理论的缺陷，在修正和革新中一步步完善对自然的认识。知识和技术总是互为表里的，每次认知的巨大进步，都蕴含当时无法想象的技术突破；对自然真理海洋的不断探索，总是给人类带来巨大的惊喜和力量。

时至今日，人们认识到自然界中有四种基本的相互作用力：引力、电磁力、弱力和强力。我们在生活中见到的所有现象都可以通过这四种基本的相互作用力的相互作用进行描述。

• 引力是人们最先认识到的力。从牛顿到爱因斯坦，人类不仅预言了天体的运行，预言了海王星的存在，还预言到了遥远星光的偏折、黑洞以及引力波的存在；

• 电磁力支撑了我们文明的基础，而我们身体对外界的感知，也都是通过电磁力而实现；

• 弱力使得中子不再稳定，它推动着核电站的运转，也导致了壮观的超新星爆发；

• 强力，则维持了原子核的稳定存在，使太阳雄雄燃烧，也使人类有望几乎永久性地解决能源问题。 

我们对自然界的知识被总结为粒子物理的标准模型（Standard Model）。在这个模型中，世界由自旋为1/2的费米子组成；它们间的相互作用则通过自旋为1的玻色媒介粒子来传递。标准模型通过优美的规范相互作用，在统一的数学模型下描述了电磁力、弱力和强力；于此同时，标准模型预言了被称为“上帝粒子”的希格斯(Higgs)粒子，它同费米子和玻色子都有相互作用，并给予粒子质量。

标准模型，以令人惊叹的精确度，描述了粒子物理实验中几乎所有的实验现象。2012年，随着Higgs粒子在日内瓦大型强子对撞机（LHC）实验中被发现，标准模型预言的所有粒子均被发现。而另一方面，我们又无法理解标准模型的成功。无论从哪个方面看，标准模型都不像是一个终极理论：它当中有太多自由参数，同时，又导致了一系列的理论疑难。在著名的等级疑难中，标准模型预言电子和顶夸克的质量的起源是完全一致的，而这两者的质量相差近6个量级。同时，标准模型无法提供合适的暗物质粒子、无法解释星系中天体运行速度同其位置间的关联关系。在标准模型的面纱下，必然隐藏着大自然更深邃、更优美的奥秘。

“上帝粒子”Higgs

Higgs粒子是我们进一步理解自然的关键。Higgs粒子不仅是标准模型中最后被确认存在的粒子，也是其中最神秘、最让人着迷的粒子。Higgs粒子同标准模型中的绝大部分自由参数和理论疑难直接相关。同时，Higgs粒子参与的相互作用不同于四大相互作用中的任何一种。事实上，它定义了全新的相互作用：给予费米子以质量的Yukawa相互作用，给予玻色子质量的Higgs机制，以及Higgs粒子的自相互作用。这些相互作用对宇宙形貌的演化是极为深远的，它们的任何一点微小改动，都可能会导致宇宙中无法演化出和我们类似的生命、导致宇宙本身的不稳定性，甚至决定着宇宙百亿年后的宿命。

计算机模拟的希格斯粒子的相互作用。图片来源：CERN

如果把粒子物理的研究比作在未知大洋上的探索，那么新近发现的Higgs粒子所指向的，则是一个笼罩在未知迷雾当中、神秘莫测的全新方向。Higgs粒子之于21世纪的粒子物理，恰似19世纪末笼罩在经典物理大厦上的两朵乌云，蕴含着无限的可能。（19世纪末的两朵乌云最终孕育了相对论和量子力学）。在这个意义上，Higgs粒子的发现并不意味着标准模型的终结和完善，它意味着人类对物质世界的探索进入了崭新的一页。

实验是我们探索未知的航船和望远镜。在粒子物理的对撞机实验中，航船决定了我们能走到哪个海域（对撞能量），而望远镜则决定了我们能够看多远（精细测量）。目前主流的对撞机包括了质子对撞机和正负电子对撞机两种：前者以发现了Higgs粒子的LHC为代表，而后者则包括了在中国科学院高能物理研究所运行的北京正负电子对撞机（BEPC）以及现在中国高能物理学界倡议的环形正负电子对撞机（CEPC）项目。由于质子比电子重近2000倍，质子对撞机一般而言可以达到更高的对撞能量，但代价是噪声巨大，精度受限。而正负电子对撞机则恰恰相反，在精细测量上拥有不可替代的优势。正因如此，质子对撞机和正负电子对撞机之间一般有良好的互补性，在Higgs粒子测量方面尤为如此。具体来说，LHC和CEPC都可产生数以百万计的Higgs粒子，LHC可以测量若干CEPC无法直接观测的Higgs粒子行为；而CEPC实验则可实现对Higgs粒子的绝对测量，同时其测量精度较之于LHC可提高一个量级乃至更高（在耦合常数的测量精度上达到百分之一乃至千分之一量级）。在Higgs粒子的研究上，CEPC是比LHC能看得远10倍的望远镜。

发现Higgs粒子的大型强子对撞机（LHC）。图片来源：maxisciences.com

看得远10倍意味着什么？

在真正拥有这个望远镜之前，我们是无法准确预期的。这取决于在望远镜的量程范围内，大自然放置了怎样的风景。探索的意义也恰恰在于这种无法预测性。当然，这并不意味着我们全无线索：一般而言，尺度（能标）每变化一个量级，都意味着出现全新的物理现象乃至物理规律。从星系、恒星，到人类，到细胞、病毒，到纳米世界，到微观粒子，无不如此。因此，在比Higgs粒子质量的能量高一到两个量级的能区，应该存在着我们尚未了解的新现象。而CEPC，将借助其前所未有的精确度，为我们揭示这些新现象的蛛丝马迹。

另一方面，虽然标准模型在解释对撞机的实验现象时犀利无比，但它无法解释暗物质、暗能量、真空能、宇宙暴涨及演化、宇宙中物质的正反不对称性等一系列基本问题。对Higgs粒子的探索，极有可能为上述重大问题提供关键性线索，甚至可能最终解释上述谜团。

比如，借助研究Higgs粒子，我们有可能揭示暗物质的本质。目前的研究告诉我们宇宙中大部分的物质以暗物质的形式存在；暗物质粒子不参与标准模型中的电、弱、强相互作用，因此我们无法直接观测到它们；但假如暗物质粒子的质量来源也是Higgs粒子，或者仅假设暗物质粒子同Higgs粒子有相互作用，那么我们就可以通过Higgs粒子这一窗口去观测、研究暗物质粒子（这类模型被称为Higgs门户模型）。在更加浪漫的想象中，暗物质世界可能是一个与我们存在于同一时空的平行世界，它按照自己的规律运行演化，甚至有可能演化出绚烂的生命和文明。而暗物质世界与我们的世界之间，原则上，可以通过Higgs粒子进行沟通。

总之，粒子物理承载着人类对世界本源永恒的好奇心，而实验则是人类探索未知的航船和望远镜。CEPC，是指向目前疑团凝聚的“上帝粒子”背后未知前沿的有力望远镜。我们期待着对它的探索将带给我们全新的知识，也期待着这些知识背后蕴藏的无限可能。

（编辑：水白羊、吴欧；排版：Sol_阳阳 ）

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