歐洲大型強子對撞機的成功和失望

編者按

從還原論的觀點看，物理學在所有自然科學中處於基礎性的地位。上個世紀，物理學發生了翻天覆地的變化，讓我們對自然的認識深入到更微小的時空層次，上升到更高的能量尺度。與此同時，物理學的社會學特徵也表現得更為明顯：物理學家的個人背景所體現出的研究風格、物理研究的組織形式的變化、物理學成果對於國際政治和人類生活的影響、社會思潮向物理學的微妙滲透等等，都可成為科學社會學的研究內容，也為科學發展提供了一種人文觀照。

在物理學眾多分支當中，恐怕沒有哪個分支像粒子物理那樣離我們的日常生活如此遙遠，而又表現出上述提到的、如此突出的社會學特徵。比如，缺乏實證使得許多理論粒子物理學家從哲學和美學視角探尋方向，這些視角形成的思潮甚至有成為凌駕於科學之上的“宗教信仰”之虞。在有限資源條件下的研究群體的擴大，使得關注方向也越來越同一化，內容越來越趨於保守單一。比如對美的追求吸引了很多物理學家研究一種全新的對稱性——超對稱。超對稱的確是一個非常迷人的數學結構。通過它，物理學家得出了很多漂亮的數學結果。以追求美為導向的思想，已主導了一些理論物理研究的領域。這很不同於以前以解釋實驗、觀察解釋自然現象為導向的物理研究。這一取向也引導越來越多的像Hossenfelder這樣的物理學家深入探討科學研究的方法論基礎。

此外，研究經費的投入與分配約束也使得用於粒子物理研究的大科學裝置的建設勢必遭遇更多拷問，不同群體之間出現利益的博弈。這使得高能物理的實驗觀測越來越不容易。上一個大裝置，大型強子對撞機（LHC）直接觀察到了希格斯玻色子，可以說是一個重大成果。可另一方面，希格斯玻色子早已被先前的很多低能實驗間接發現，這次直接驗證雖然重要，可大家更期待發現一些全新的現象，像超對稱、全新的粒子（其可能對應於暗物質）。其實發現超對稱和全新的粒子，是當時建造LHC的重要動機。本文回顧了當時的一些討論。可LHC在這一方面令人失望。除進一步確定了描寫基本粒子的標準模型的正確性之外，至今沒有發現新的東西。這使得一些人開始進行反思。

Hossenfelder的新書Lost in Math對物理學各分支，特別是粒子物理學的上述社會學特徵作了鞭辟入裡的探討。此書也引發了物理學群體的廣泛討論。本文乃是Hossenfelder的一篇博文，由之可以稍窺Lost in Math一書之主旨以及物理學社會化之一斑。

最後我們要說明，所謂的超對稱理論並不是說基本粒子有超對稱。所有物理學家都知道而且認同，我們世界中的基本粒子並沒有超對稱。所謂超對稱理論只是預言基本粒子可能有近似的超對稱，所以我們要引入一個超對稱破缺能量尺度來描寫這個近似的超對稱有多好。能量越小，近似的超對稱就越好。目前的LHC實驗僅僅是排除了比較好的超對稱（超對稱破缺能量尺度小於LHC能量的超對稱）。但比較差的超對稱並沒有被排除，這需要更大的加速器來探測。要知道近似超對稱是為了解決基本粒子標準模型的一個毛病——缺乏自然性——而引入的。如果超對稱太差，將無助於解決這個毛病。但如果超對稱破缺能量尺度隻比LHC能量大一點，對解決自然性這個問題還是有幫助的。

最後需要指出的是，雖然近似超對稱還沒有被LHC發現，它還是一個沒有實現的預言，但嚴格的超對稱也許會在其它一些想不到的領域，如凝聚態物理之中被發現。這種有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭的現象，在科學中還是常常出現的。歷史上，物理有很多盛宴。老的盛宴一個個結束，但新的盛宴一個個到來。這是物理發展的自然規律。

撰文 | Hossenfelder （德國法蘭克福高級研究所研究員）

翻譯 | Lineker

校對 | 崔齊

編輯 | 崔齊

前一段時間，大型強子對撞機（Large Hadron Collider，以下簡稱LHC）完成了第二輪實驗運轉，眼下它正在按計劃進行升級以實現更高能量。在更高的能量狀態下，研究人員將可以收集到更多的數據。然而到目前為止，除了希格斯玻色子外，LHC尚未發現任何新的基本粒子。

也可能在未來采集到的數據裡，某種新粒子終能露面。但目前粒子物理學家表現得非常緊張。情況看起來不太妙——除了若乾不具有統計顯著性的異常信號外，尚無證據表明碰撞產生了異乎尋常的新東西。並且，如果LHC一無所獲，那麽下一代更大型的對撞機能否有所發現就更難猜測。

LHC隻發現了希格斯子，此外什麽都沒找到。這一結果被稱為“噩夢般的場景”實是事出有因。三十年來，粒子物理學家一直告訴我們說，LHC肯定會找到除希格斯子以外的一些東西，一些令人激動的東西，諸如暗物質粒子、額外空間維度，或是某種新的對稱性，一些足以證明標準模型尚不完備的新發現。但這一幕並未發生。

粒子物理的標準模型（來源：Fermi National Accelerator Laboratory ）

所有那些圍繞著新物理展開的預測，都是建立在基於自然性的論證之上。在我的書（指Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray）中，我曾解釋說，自然性論證在數學上並不合理，我們不該將其奉為圭臬。

粒子物理學家現在面臨的問題在於，自然性是使其認為LHC應當發現新物理的唯一理由。這也正是為什麽他們會感到緊張的原因。若是少了自然性，那麽即便是認為在比LHC的能量更高的層級上存在新物理也缺乏論證基礎。（除非直到比現在LHC的能量高出15個數量級，彼時時空的量子化結構才會變得顯著起來。不過，如此巨大的能量在可預見的未來都難以企及。）

粒子物理學家們對上述形勢作何反應呢？大部分人視若無睹。

一些人依舊寄希望於數據裡最終會冒出點新東西，或許自然性只是比我們原先設想的要更複雜一些。另一些人則已經針對為什麽下一代更大型的對撞機會找到新粒子的問題，預先製造好了論據。還有些研究者則只是還沒有意識到自己已在懸崖邊踏空。例如，最近的一篇關於“LHC上超越標準模型的物理學”的報告依舊重申“自然性是期待新物理的主要動機。”

拋開其應對策略不談，很多粒子物理學家現在可能反倒希望自己從來沒有做過那些預測。因此，我覺得現在正是看看哪些人說了些什麽話的絕佳時候。

在摘引之前，先行介紹一些專業術語：電子伏特（eV）是能量的一種量度。粒子對撞機按其可試驗的能量進行分類。更高的能量意味著碰撞可解析出更小的結構。LHC的能量將會達到14太電子伏特（TeV）。“電弱尺度”或“電弱能量”通常是指大致對應Z玻色子質量（約為100吉電子伏特（GeV））上下的能量，即在比LHC的能量低100倍的量級上。

另外需要注意的是，儘管LHC可達到14 TeV的能量，但它是使質子對撞，質子並非基本粒子，而是由誇克和膠子構成的複合粒子。因而，總碰撞能量要在這些組元粒子之間進行分配，這意味著新粒子的質量上限小於碰撞能。這些質量上限的好壞取決於預期的相互作用的數量和收集的數據量。當前的上限通常為幾個TeV，隨著越來越多的數據被分析出來，質量上限也會隨之提高。

解釋了這些以後，讓我們先從Barbieri和Giudice 1987年的論斷開始：

“這一‘自然性’判據的採用使得超粒子質量的物理上限在TeV範圍。”

1994年，Anderson和Castano寫道：

“在最自然的情形下，很多超粒子，如超荷子、超誇克和超膠子，其質量都處於LEP II（編注：Large Electron-Positron Collider，建造於CERN，於1989-2000年間服役，2001年停用後利用其27 km周長的隧道建設了LHC）或Tevatron（編注：隸屬於費米實驗室，在LHC啟用以前，它一直是世界上能量最強的粒子對撞機）可達到的能量範圍內。”

以及

“如果超誇克和超膠子具有高於LHC的物理極限的質量，那麽超對稱性將無法提供弱尺度穩定性的完整解釋。”

LEP指的是大型正負電子對撞機，LEP1和LEP2是說大型正負電子對撞機的兩次實驗運行。1995年，Dimopoulous和Giudice又發表了類似的言論：

“如果最小限度的低能超對稱性能夠以不高於10%的微調來描述世界，那麽LEP2發現超對稱性的幾率就非常高。”

1997年，Erich Poppitz寫道：

“未來十年，隨著LHC的出現，我們終將會找到下面問題的答案，即‘超對稱性與電弱尺度的物理相關嗎？’”

1998年，Louis、Brunner和Huber表達了同樣的意見：

“只要超對稱粒子的質量不比1 TeV高太多，那麽這些模型就為自然性問題提供了解答。”

這被認為是個容易完成的發現，正如Frank Paige在1998年所寫的：

“在預期的質量範圍發現超膠子和超誇克似乎非常直接，因為碰撞率巨大，信號很容易就可以從標準模型的背景中被分離出來。”

1998年，Giudice和Rattazzi又強調自然性是其相信超出標準模型之外的物理存在的原因：

“自然性（或者層級）問題，被認為是在高於TeV的能量尺度上彌補描述基本粒子相互作用時標準模型有效性的最嚴肅的理論論證。從這一點來看，它可以被視為將實驗研究推向更高能量的終極動機。”

他們繼而讚美了超對稱性的美：

“超對稱性提供了一套解決自然性問題的優雅方案……”

有趣的是，在1999年，Alessandro Strumia總結說LEP的結果非常不利於超對稱性理論：

“最近尋找圍繞著超對稱性粒子研究所爆出的負面結果，給所有‘常規’的超對稱性模型提出了自然性的問題。”

在其論文中，他反覆強調自己的結論僅適用於某些超對稱性模型。這話當然是對的。超對稱性的美就在於它盡可以隨意調適，從而規避所有的約束。

大多數粒子物理學家完全不受LEP的負結果的影響。他們只是將其預言投向了下一代更大型的對撞機，先是Tevatron，再是LHC。

2000年，Feng、Matchev和Moroi寫道：

“這一切強化了一種普遍的樂觀情緒，即在Tevatron、LHC或NLC上進行的下一輪對撞實驗，肯定能發現所有的超伴子，如果它們存在的話。”

（NLC即Next Linear Collider，是21世紀初提出的一個大科學計劃，現在已經被放棄。）他們也重申了在LHC上應該不難發現超對稱性的觀點：

“相比超費米子，在上述情形中超規範子和超希格斯粒子的質量都不可能非常大。例如……超規範子將會在LHC上大量產生，在通常的條件下下即可被發現。”

2004年，Stuart Raby試圖說明自然性論證已經陷入困境：

“簡單的‘自然性’論證會讓人誤以為超對稱性應該已經被觀測到了。”

當然，這不過是考慮並非如此簡單的自然性論證的理由。

同年，Fabiola Gianotti對LHC大唱讚歌（我標出了重點）：

“上述自然性論證打開了通往新的且更基本的物理學的大門。現如今，圍繞著超越標準模型的物理學存在若乾候選理論，包括超對稱(SUSY)、藝彩（Technicolour）以及具有額外維的理論。所有這些理論都預測了穩定希格斯粒子質量所要求的TeV能級區的新粒子。我們注意到，在當下的粒子物理學領域，就關注度而言，沒有哪個能量尺度能與TeV尺度相媲美，這為類似於LHC這樣的可直接且細致地去探索這一能量範圍的加速器的建造提供了強烈的動機。”

她讚美超對稱性“非常具有吸引力”，同時也告訴我們，超對稱性會很容易也會很快被發現：

“在LHC上發現超對稱性會相當簡單和迅速……只要經過一個月的數據采集，我們就能找到質量為1 TeV的超誇克和超膠子……超誇克和超膠子的質量上限約為3 TeV。因此，考慮到上面所提到的與穩定希格斯粒子質量相關聯的論據，如果我們在LHC上一無所獲，那麽TeV能級的超對稱性將最有可能被排除在外。”

雖然還可以繼續列舉，但我覺得以上摘錄足以說明，幾乎所有人都認為LHC應當發現除希格斯粒子以外的新物理，而且他們都抱著相同的理由，即所謂的自然性。

總而言之，既然基於自然性的預測並沒有取得成功，我們就沒有理由認為，LHC的繼續運轉或者建造更大的粒子對撞機會發現無法用粒子物理標準模型來解釋的新物理現象。更為大型的對撞機可以更加精確地測量已知粒子的性質，但這肯定不是什麽令人激動的事情。對於一台造價動輒百億美元甚至更多的機器來說，這點回報著實有些說不過去。因而，很有可能LHC將一直是人類史上最大的粒子對撞機。

本文經授權摘譯自http://backreaction.blogspot.com/search?q=+how+the+LHC，僅供學術交流討論之用。

Lost in Math書評

撰文 | Anil Ananthaswamy

在Lost in Math一書中，Hossenfelder指出了粒子物理實驗數據的匱乏。隨著建造探索更高能量和更小尺度的機器所需成本的攀升，這種狀況會進一步惡化。鑒於此，她擔心太多理論家會利用數學論據和主觀審美來判斷物理理論的有效性。

Hossenfelder質疑了對於自然性的渴望，自然性觀點認為理論不應憑空構造，也不應含有必須通過微調來符合觀測結果的參數。

Hossenfelder解釋說，在涵蓋理論物理學家所珍視的所有東西（對稱性、自然性、統一性和意想不到的洞察力）方面，超對稱性已經成為了“生物學家恰如其分地名之為‘超級激勵’的東西，也即一種人為的但卻無法抗拒的觸發器”。

Lost in Math一書充滿了自省意識，內容頗為犀利，並且提出了大膽的問題。Hossenfelder推特的粉絲以及她個人部落格Backreaction的讀者都能辨識出她那種不受拘束的風格。但並非所有物理學家都與其觀點一致。在實驗數據缺失的情況下提出理論的做法並不新鮮，而且也收到了成效。舉例來說，在上世紀60年代早期，物理學家Murray Gell-Mann就曾利用對稱性來完善標準模型，並預言了他命名為誇克的粒子的存在。其運用的數學被證明是正確的，最終他因為這一工作獲得了1969年的諾貝爾物理學獎。在諾獎晚宴上中他說道：“在研究粒子和宇宙過程中揭示的自然基本規律的美，堪與純淨的瑞典湖泊中鳧水的秋沙鴨的輕盈優雅相媲美。”

Hossenfelder對這種觀點表示認可，但同時她也對那些試圖通過堅守自然必須永保美麗來打破當前物理學所陷入的僵局的研究者發起了挑戰。她承認，“抱怨美學傾向”並不會消除物理學所遇到的那些令人氣餒的難題，但有幾條基本法則我們不能遺忘：首先要確保提出真正的問題，即從理論和數據之間已有矛盾中所出現的問題；其次是明確假設（譬如對自然性或簡潔性的渴望）；以及利用實證證據來選擇合適的處理該物理問題的數學工具。上述幾條法則便是Hossenfelder提供的羅盤指針，以使我們在不管多麽美麗的數學叢林中都不至於迷失方向。

本書評摘譯自 Beauty, proof and the crisis in physics, NATURE VOL 558

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