超对称和大型强子对撞机

时间:2023-11-25 06:39:03

2008年夏天,当欧洲大型强子对撞机即将完工的时候,我到现场进行访问并参观了主要的实验装置之一。我去那里主要是参加一个会议的,但参观非常有趣。我参观的实验装置叫紧凑型μ介子螺线管,它大约有三层楼大。我参观的时候正处在把实验装置组装在一起的最后阶段。一个巨大的锥形封头正要被放进主要的桶形探测器的躯体里。它的设计有点像数码相机,但它的每一部分都是往内看的,朝向它的中心,高能质子束在那里发生碰撞。

会议结束后,我利用这个机会去法国的阿尔卑斯山登山。难度不大——只是一次小的登山活动。最后我沿着一个山脊爬上了南针峰,从那里我和我的登山伙伴坐架空索道回到了山下的小镇。我们爬的那个山脊是出了名的狭窄,人多,而且是被雪覆盖的。因为某种原因,大家爬的时候都系上绳子串联起来。对这种系在一起爬但没有一个人被拴在坚固锚定物上的登山法我一向都不是很认同。如果一个人跌倒了,很难避免其他人也会跟着被拖走。通常我认为最好还是相信你自己,不要大家都拴在一起,否则我们就要把绳子结实地拴在锚定物上。但我承认我在爬这个山脊的时候和其他每个人一样,我也把自己拴在登山伙伴的身上了。我的伙伴是个很可靠的登山者,而且这个山脊真的不难。

回想起来,我认为那些被拴在一起在狭窄山脊上爬山的登山者们提供了一个很好的希格斯玻色子的类比,希格斯玻色子是LHC实验希望发现的东西之一。我们这样来想。假设你站在山脊的顶部,努力维持这不稳的平衡。你的两边都很陡峭,所以不论你沿哪个方向跌倒,你都会掉下去。这就好像是弦论中的快子:它们处在不稳定的平衡,最微小的扰动都会使它们沿着一个斜面滑落,而这一过程是弦理论家们才刚刚开始理解的。还不止这些。假设有八个人被拴在一起,第一个人向左跌倒。第二个人可能也会被拖着向左跌倒。第三个人不大可能承受得了两个登山跌倒者的重量,所以他也会向左跌倒。此时真正正确的事情也许是向山脊相反的一侧跳下去并相信绳子的质量。但因为某种原因这真的很难做到。

回到快子和希格斯玻色子:我想指出的一点是快子通常意味着这样一种不稳定性,即空间上的每一点都是不稳定的,这些不稳定是“拴在一起的”,就好像那些登山者一样。如果一个快子在某点开始沿一个方向滚动,它就会拖动邻近的快子一起滚动。

希格斯玻色子描述快子“凝聚”后发生什么。(快子凝聚是个技术术语,它说的就是从山脊滚落)让我们仁慈地设想一下那些不幸的登山者们在滚落山脊后会发生什么:他们会滑落到山谷的底部并逐渐停下来。让我们设想他们是如此的困顿以至于他们爬不上来了。他们将在山谷底部附近徘徊,偶尔会沿着斜坡爬上来一些然后就又滑落下去了。粗略地说希格斯玻色子跟这个很像。一旦快子在时空中的每个地方都发生了凝聚,围绕它们平衡位置的量子涨落就是希格斯玻色子。

我们用拴在一起的登山者来类比希格斯玻色子并不精确,其中一个问题就是希格斯玻色子运动的方向并不在我们熟悉的空间的三个方向上。相反,它像是时空中的额外维度——但在数学上是可以描述的。此外认识到希格斯玻色子是假设的也很关键。它也可能不存在。

除希格斯玻色子是假设的外,还有一个优美、深刻的理论,它作为粒子物理唯象描述的基础统治了这个领域几十年。这就是标准模型。“标准”告诉我们它已经被广泛地接受。“模型”则提醒我们它仍然是临时的,而且几乎可以肯定是不完备的。在标准模型中可不仅仅是快子的凝聚。它还有其他内容,比如是希格斯玻色子控制着像电子和夸克这样亚原子粒子的质量。人们曾经希望芝加哥附近的万亿电子伏特加速器Tevatron 能发现希格斯玻色子。可能确实也有一点希望。但大型强子对撞机将或者发现希格斯玻色子或者发现处于它地位的一些其他古怪的东西。还有一个更早的位于德克萨斯的实验设施,超导超级对撞机,它曾拥有作出伟大新发现的机会。超导超级对撞机于1991年开始建造。然后,在1993年,国会取消了这个项目。为此他们可能节省了美国纳税人一百亿美元。我认为这是一个糟糕的决定。它当然意味着在可以预期的未来美国失去了对欧洲在实验粒子物理领域的优势。幸运的是,欧洲国家继续建造大型强子对撞机。而美国也对大型强子对撞机作出了重要贡献。所以我们仍然有机会去尝试伟大、重要的发现。