“机器纪元”LHC检验新物理的假说

在两年的“休眠期”过后，欧洲原子能中心（CERN）重新启动了大型强子对撞机 (LHC)，它的主要实验室——ALICE, ATLAS, CMS 和LHCb预计在几周后重新运行。2012年，大型对撞机实验室的科学家初步发现了令人瞩目的希格斯粒子，2013年2月，超负荷运行的超级机器“关门歇业”，工程技术人员在实验室的休整期间对主要的设备进行了检修和升级，在大型加速器和主要的实验室运行良好的条件下，LHC 和主要的实验室将会处于满负荷运转的状态，最早在今年的5月底或6月初开始采集实验室的数据。

实验设备的升级计划包括一项对超导磁铁连接体的彻底检修，去年6月完成了检修项目，LHC超导体的大部分现在已冷却到了1.9 K的运行温度，今年3月7日，第一批质子束被输送到对撞机27公里长的磁铁通道的指定区域。今年5月，经过了全面的检修和升级， LHC达到了13 TeV的能级，在新的能级下进行质子束的碰撞实验，这标志了LHC“2.0版”时代的到来。

CERN的科学家将新一轮的实验运行模式称为“运行2”，之前“运行1”的碰撞能级为 8 TeV，“运行2”的碰撞能级几乎是“运行1”的两倍，“运行2”13 TeV的运行能级仍低于LHC14 TeV的设计能级。“运行2”将在13 TeV的运行能级上进行粒子束的碰撞实验，工程技术人员要有充分的对LHC超导磁体进行调试的时间，使得实验设备逐渐适应14 TeV 能级的实验。

更高的实验能级将会加深CERN的物理学家对希格斯粒子的了解，他们预计在“运行2”的实验条件下将会有更多粒子的产生，新增的粒子数量将是以前实验的10倍，“运行2”的数据量几乎是“运行1”的5倍。物理学家将在实验数据中仔细筛选有价值的信息。CMS实验室的发言人惕兹亚诺·坎普瑞斯解释说，研究人员不会以非理性的方式处理大量的数据，“运行2”实验的一个重要目标是搜索可能不符合粒子物理学标准模型的证据，检验物理学家在创新思维中提出的各种猜测与反驳，特别要寻找与超对称理论(SUSY) 有关的证据。

根据超对称理论的预测，每一个基本粒子都有一个“超级伙伴”，它们是迄今尚未发现的对称粒子，粒子和对称粒子在性质上有微妙的不同。“运行2”也会搜索其它暗示“新物理学”的信号，其中包括额外的空间维度、奇异粒子和暗物质粒子等。对数据有效的处理技术使得现代科技插上了翅膀，但人们对新物理学的探索却缺失了理论灯塔的照耀。

对新物理现象的搜索与对标准模型概念的希格斯粒子的搜索有些不同，物理学家在搜索希格斯粒子时接受了理论预期的指引，在理论灯塔的照耀下，先是有希格斯粒子存在的预言，后是在实验过程中检验了理论的预期。很多的理论范本超出了标准模型的限定，很多研究人员感到茫然，不知所措。好似有多少哲学家就有多少种哲学理论，现在有很多相互矛盾的理论假说，用数据说话的实验物理学家承担了实验检验的职责。

LHC的研究人员以标准模型作为检验的标准，而科学家通过标准模型作出了一些极为精确的预测，其中似乎有某种讽刺的意味。研究人员预测了在13 TeV的实验能级将会发生的物理现象，他们将仔细地观察与理论预测有所不同的任何偏差现象。超对称理论SUSY非常有吸引力，从超对称理论作出了一些精确的预测。科学家目前无法判断LHC的实验在什么时候将证实或排除标准模型以外的新物理学理论。

也许在“运行2”开启第一周的实验时，研究人员将会发现超对称理论SUSY的参数约束范围，也许要到2035年才能出现这样的结果。对SUSY理论的检验可能超出了LHC的能级范围，经过技术升级的大型对撞机作出的精确预测可能与它的“前身”——欧洲原子能中心的大型电子——正电子对撞机一样，而大型电子对撞机曾帮助欧洲的物理学家相当精确地预测了顶夸克的质量。

两个实验室的研究人员将会分析在“运行1”数据中出现的波动或奇异情形，两个实验室的探测器在“运行1”发现了波动或奇异的数据，大多数波动或奇异的数据可能与标准模型的统计波动有关，这些波动或奇异的数据如果在“运行2”中以某种统计的显著方式增加了，那么这可能意味着新物理学信号的出现。ATLAS实验室的发言人戴维·查尔顿认为，以前排除了诸如B夸克粒子的候选对象，也许有其它类型的粒子，新的粒子类型打破了标准模型的规则。

物理学家将在“运行2”实验中搜寻暗物质的踪迹，搜索的方法有所不同，难以捉摸的暗物质粒子可能在LHC的实验中出现，研究人员不会放过直接探测它们的机会。LHC的物理学家将在粒子碰撞实验中使用迷失能量的搜索方法，“迷失的能量”也许转化成了暗物质，LHC的物理学家在暗物质的搜索领域走在了主要竞争者的前列，世界各国开展了很多不同的实验项目，以寻找暗物质存在的主要证据。

CERN的物理学家和天体物理学家了展开了大量的讨论，天体物理学家主要在天文领域探测暗物质粒子。两大领域的物理学家进行交流与合作，这不失为一条有效的途径，在交流和切磋中产生智慧火花。粒子和天体物理学家对暗物质粒子的发现有先后之分，但相关的争议话题无关紧要。很难说CERN的物理学家会首先发现暗物质，CERN的理事长拉尔夫·霍耶尔在LHC重新启动的新闻发布会说道，“我希望在黑暗的宇宙看到第一缕光芒，假如光芒照耀在我的身上，那么自然的友善将令我心动不已，我将感受穿越千年的自然之光的爱意！”。

（编译：2015-3-17）