科学家多管齐下“围剿”新物理
2013年09月10日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
或许就在宇宙的某个角落
科学家多管齐下“围剿”新物理
尽管现有的标准模型盛行，但宇宙学家和粒子物理学家渴望发现一些他们无法解释的新东西。
标准宇宙论解释了宇宙微波背景下的波纹。
图片来源：ESA/PLANCK COLLABORATION
对宇宙学家来说，这是10年中最热切期待的结果，对另外一些人来说，这是一个令人失望的结果。
利用欧洲航天局的普朗克卫星，科学家呈现了宇宙微波背景辐射（CMB）的实验结果（CMB被认为是大爆炸的“余烬”）。自上世纪90年代起，CMB观测已经证实宇宙在一次大爆炸中突然诞生，还解释宇宙包含了多少物质和能量。宇宙学家期待普朗克能提供更深入的资料。 普朗克已经完成了它的使命。2009年发射后，它以极高的敏锐度和准确性观测了天空中CMB温度的细小变化。结果和理论预测有近乎完美的吻合。这也是问题所在：“没有证据显示，新物理学超出了我们先前的知识范畴。”英国剑桥大学宇宙学家兼普朗克团队一员George Efstathiou说。
陷入困境的不仅仅是物理学家。数十年来，粒子物理学家一直徒劳地努力着，试图找出他们的标准模型无法解释的现象——只有一个例外。去年，物理学家发现了希格斯玻色子，它是标准模型中最后一种未被发现的粒子。今年，物理学家证实，和标准模型的预测一致，希格斯玻色子具有一些基本属性。美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室（Fermilab）的Robert Plunkett说：“每个人都欣喜若狂。”
科学家表示，他们致力于找出自己理论中的漏洞。Efstathiou说：“我们知道这些理论是不完整的。因此必须反复推敲模型直到它们显示出缺陷。”理论家们已经构思出各种各样的超越标准模型的大胆理论。但是，实际上，对于旨在发现新现象的一系列针对最具潜力对象的实验，没有人保证一定能发掘出宝藏。
希格斯玻色子和其他粒子
对于粒子物理学家而言，问题很简单：能否在希格斯玻色子背后发现一些新东西。如果可以，最有可能的发生地，将是希格斯玻色子诞生的地方——瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）27公里长的大型强子对撞机（LHC）。
自2010年LHC开始收集数据起，它已经完成了既定工作的1%（预计全部完成于2030年）。一些物理学家说，希格斯玻色子的发现意味着LHC有望在未来发现新粒子，以填补那99%的空白。
争议源自如何界定希格斯玻色子的作用。普通物质由少量的粒子构成：在原子核中，上夸克和下夸克分别形成质子和中子。标准模型描述了这些粒子如何通过3种力相互作用：电磁力产生光、强作用力结合夸克、弱作用力引起β衰变。（理论中不包括重力。）
但是有一个问题：粒子获得质量破坏了数学对称性（这是整个理论构建的基础）。因此，粒子必须通过和其他粒子的相互作用自己创造质量。
填补“已知的未知数”
探索新物理学的一个同样成就颇丰的地方就是整个宇宙。一些宇宙学家认为，根据自己的标准模型，他们已经陷入了一个僵局——但是和粒子物理标准模型不同，他们的标准模型还很不完整。
被称为ΛCDM的模型简要描述了宇宙的构成：5%的普通物质、27%的冷暗物质（CDM）、68%的暗能量。Λ代表暗能量最简单的表现形式。 ΛCDM模型和普朗克的最新结果相吻合，且同样具有高度的精密性。ΛCDM假定了宇宙成分的同属定义，诸如暗物质和暗能量（暗物质是一种不会和辐射相互作用的物质）。美国马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所宇宙学家Adam Riess说：“它不是一个理论，它是数学。” 其他人希望破译暗能量，这也许是物理学领域最大的谜团。15年前，当物理学家利用恒星爆炸（被称作Ia型超新星）来追踪宇宙膨胀的历史时，他们发现了暗能量。和预期截然不同的是，他们发现宇宙膨胀正在加速，好像被某种形式的能使宇宙延展的能源推动。
关键问题是，暗能量是否是太空本身的一种属性—— 一个宇宙常数（爱因斯坦用Λ来表示），或者是宇宙中的某种物质。宇宙学家想知道，随着宇宙时间的推移，暗能量的密度是如何变化的。如果暗能量是太空的一部分，那么其密度应该保持恒定。如果它是太空中的某种物质，那么其密度可能随着宇宙的扩张而减小。
Riess认为，普朗克也许给了我们一些指示，有线索表明，暗能量已经发生变化，它不是一个宇宙常数。
一致之处：围捕暗物质
也许能共同促进粒子物理学和宇宙学发展的领域是它们的重叠之处：寻找暗物质。
暗物质由所谓的“大质量弱相互作用粒子”或WIMPs组成。WIMPs的设想诞生于上世纪80年代，当时理论学家指出，如果宇宙催生了这种粒子，那么足够数量的粒子将足以提供暗物质——假若它们的重量在质子重量的10~1000倍之间。
科学家希望通过不同的方式探测WIMPs。2008年，被称为PAMELA的意大利卫星实验发现了过量的高能正电子。
美国布朗大学的物理学家Richard Gaitskell说：“我持有一些偏见，但是我仍相信，直接寻找暗物质是我们发现标准模型漏洞的最有希望的方式之一。”
美国加州斯坦福大学的Blas Cabrera说：“也许五年后，我们会得出一些更加明晰的线索。”
出乎意料
粒子物理学家和宇宙学家无法保证任何可能性最终能够实现。如果无一凑效，一些人承认，他们会发现自己仅仅是在反复不断地验证他们自创的盛行的理论。美国加州劳伦斯—伯克利国家实验室的宇宙学家Saul Perlmutter说：“当我们遭遇一些未知的领域，这种情况很有可能发生。”
然而，Perlmutter说，他很乐观地相信，更多突破将会以意想不到的方式到来，正如15年前他和其他人首次探测到暗能量那样。他补充道：“你追我赶地去发现宇宙的新奥秘是我们玩过的最多产的‘游戏’，这不是因为你获得了你想要的结果，而是由于你发现了意料之外的东西。”
研究宇宙结构的哈佛大学宇宙学家Daniel Eisenstein同意Perlmutter的观点。他说：“我猜测问题在于，20年后我们是否还将问相同的问题？”（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-09-10 第3版 国际)