近年來，物理學家們對來自大型強子對撞機(LHC)的數據越來越感到不安。我們花了幾十年的時間，精心設計出了亞原子粒子量子動物園的行為(亞原子粒子是已知宇宙中最基本的組成部分)。而標準模型是迄今為止我們所取得的成就頂峰，它的一些理論預測被證實在100億分之一的誤差範圍內——這達到了一個非常驚人的精確度。但仍有許多問題還沒有得到解答。首先，引力從何而來?為什麼物質粒子總是擁有三個越來越重的、質量有特殊模式的副本?什麼是暗物質，為什麼宇宙中包含的物質比反物質多?
為了解開這些謎題，物理學家們一直在將優雅而令人興奮的新數學結構嫁接到標準模型上。從艾薩克·牛頓(Isaac Newton)時代起，基礎物理學就沿著這條弧線展開了研究：追求統一。這條弧線中，科學試圖將看似完全不同的“表面”現象通過識別、理論化並最終證明它們共同的“基礎”起源來解釋它們。這種自上而下的、推理的思維方式產生了許多值得關注的發現。牛頓認為，一個蘋果掉到地上，以及圍繞太陽旋轉的行星，都可以用引力來解釋。1928年，物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)將量子力學和愛因斯坦的狹義相對論結合起來，提出了反物質。自20世紀晚期以來，弦理論學家一直試圖調和重力和量子物理學，他們將粒子設想成存在於10到26維空間中的微小振動弦環。
因此，當歐洲核子研究組織(CERN)在2015年第二次在日內瓦郊外啟動大型強子對撞機時，人們對理論驗證的期望很高。物理學家們最具冒險精神的自上而下思維的成果終將受到考驗。在第一個三年的運行中，大型強子對撞機已經取得了驚人的成果：2012年，CERN宣佈發現了希格斯玻色子，它是在高能質子之間的正面碰撞中產生的。這種新粒子只存在了短暫的一瞬間，然後就以特定的、標誌性的能量衰變為一對光子，正是這對光子引導我們發現了希格斯玻色子。但真正讓科學界興奮的不是新粒子本身，而是物質如何獲得質量的理論的確鑿證據。在1964年英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)和其他科學家提出了他們的玻色子假設之前，新興的數學模型預測粒子根本不應該有質量，但這顯然是與證據相反的。最終，在這個假設被首次提出半個世紀後，玻色子正式進入了亞原子寓言集，這是標準模型有待實驗驗證的最後一部分。
不過這一次，理論家們希望看到的更奇異的粒子和相互作用都沒有出現。沒有“靜止夸克”，沒有“膠子”，沒有“中性子”。這個令人失望的結果現在包裹著標準模型的外殼，就像漂亮的舊護衛艦上的藤壺，正在把她拖到海底。看起來長達幾個世紀的自上而下的統一進程已經停滯，粒子物理學可能面臨全面的危機。
在質量問題的背後，一個更大、更難的問題隱藏在標準模型中：為什麼希格斯玻色子這麼輕?在實驗中，它的重量是質子質量的125倍，但是使用該理論的計算表明它應該更大：大約是質子質量的1000億倍。
這個超大質量的希格斯玻色子應該是量子波動的結果，這個量子波動即一個超重的粒子-反粒子對，它被產生後只存在了短暫的瞬間，隨後就會湮滅。超重粒子對的量子波動應該會對希格斯玻色子產生深遠的影響，希格斯玻色子的質量對它們非常敏感。標準模型中的其他粒子被某種數學對稱性所屏蔽，不受量子效應的影響——也就是說，物體在轉換過程中不會發生變化，就像一個旋轉了90度的正方形——但希格斯玻色子是唯一的例外，它能敏銳地感受到這種影響。
但事實並非如此，因為希格斯粒子的質量看起來非常小。一個合乎邏輯的解釋是大自然選擇了希格斯玻色子質量的初始值，以精確地抵消這些量子波動，其精確度為1016分之一。然而，這種可能性似乎微乎其微，因為初始值和量子波動之間沒有任何關係。這就好比把一支尖尖的鉛筆丟到桌子上，然後讓它完全垂直地落在桌子上，在它的尖端保持平衡。從物理學的角度來說，鉛筆的結構是不自然的或微調過的。正如空氣的運動或微小的振動會讓鉛筆掉下來一樣，希格斯粒子的質量也不應該被如此完美地校準，以至於它有能力抵消量子波動。
然而，與其用一種不可思議的對應關係來解釋這種現象，也許希格斯玻色子的自然性問題可以用一種更基本的新理論來解釋：超對稱理論。為了掌握超對稱性，我們需要更仔細地觀察粒子。粒子的行為有點像微小的旋轉頂部，儘管它們的旋轉量是有限的。例如，宇宙中所有的電子都有相同的自旋量;所有的光子都是這個量的兩倍，所有的希格斯玻色子都沒有自旋。自旋的基本單位是電子的自旋。其他粒子的自旋只等於某個整數乘以電子的自旋。
每一次碰撞都是一個量子過程，這意味著它本質上是隨機的
超對稱理論是一種連接不同自旋粒子的想法：它說它們是同一物體的不同方面。重要的是，如果反粒子的自旋是電子自旋的奇數倍，或者如果反粒子的自旋是電子自旋的偶數倍，那麼影響希格斯玻色子的粒子-反粒子對的巨大量子波動會使希格斯玻色子變得更輕，或者更重。這意味著超對稱理論可以平衡量子效應對希格斯玻色子質量的影響，就像蹺蹺板一樣，一邊是所有的奇數自旋粒子，與另一邊的偶數自旋粒子完全平衡，整體效果是蹺蹺板不動，而希格斯玻色子質量也沒有受到巨大的量子影響。
超對稱的一個主要結果是：我們所知道的每一個粒子都應該有一個具有完全相同屬性的副本(“超級夥伴”)——除了兩方面：第一，它的自旋應該有一個單位的不同，第二，這個超級夥伴應該更重。超級夥伴的質量不是固定的，但是質量越重，粒子和超級夥伴之間的抵消就越不準確，你就越需要依賴於粒子本身的質量來進行微調。人們可以使超級伴侶的質量大約是質子質量的1000倍，並且它們仍然能夠相當好地運作，但是如果把質量增加10倍，這個理論就會變得很不自然。
通過將質子撞擊在一起，LHC應該能夠產生這些質量是質子質量的1000倍左右的超級夥伴。要做到這一點，你需要通過愛因斯坦的狹義相對論方程：E=mc2(能量等於質量的平方)，把質子束的能量轉換成預測的超級夥伴的質量。然而，每次碰撞都是一個量子過程，這意味著它本質上是隨機的，你無法準確預測會發生什麼。但是使用正確的理論，你可以計算出各種結果的相對概率，通過測量數十億計的碰撞，你就可以根據產生的粒子的相對頻率來檢查理論的預測。
正如你已經知道的，要想知道質子碰撞時發生了什麼，需要大量的觀察工作。在這種情況下，你試圖通過觀察超對稱粒子衰變為更普通的粒子來檢查它們產生的頻率。這些副產物的位置是由巨大的探測器來測量的，這些探測器放置在LHC的反向旋轉光束的交叉點周圍，就像一個巨大的三維攝像機。
超對稱粒子的特徵是產生一種看不見的很重的粒子，它能像小偷一樣溜進探測器並不留痕跡。這些非常弱相互作用的粒子是宇宙中暗物質起源的候選粒子;我們從宇宙論的測量中瞭解到這種奇怪的、看不見的物質數量應該是普通物質的四倍。它們存在的危險信號意味著碰撞產生的動量被竊取，也意味著碰撞前後的動量不平衡。
我和我的同事密切關注著大型強子對撞機，尋找超級夥伴的蛛絲馬跡。但是目前我們還沒有找到，我們開始問自己，我們是否不知何故地錯過了它們，也許有些碰撞產生的粒子能量太低而無法觀測。或許我們對暗物質粒子的看法是錯誤的——或許還有其他不穩定的粒子。
但最終這些想法並不能讓我們放棄現在的努力。利用各種實驗分析技術，對其進行了篩選和證偽，另一種可能是：超級夥伴比我們預期的要更重一些;因此，也許希格斯玻色子的質量確實有一些抵消(比如說，幾百分之一)。但是，隨著數據的增加，以及大型強子對撞機的束流能量不斷增加，作為希格斯玻色子自然性問題的解決方案，超對稱理論這個解釋的可能性正在變得越來越小。
最糟糕的跡象是，自然性的問題並不僅限於希格斯玻色子。
問題是什麼時候放棄超對稱理論還尚不清楚。的確，更多的數據正在從大型強子對撞機實驗中出來，但是目前依然沒有看到超級夥伴存在的蛛絲馬跡，如果它們的確存在的話，它們就會變得越重，解決問題的可能性也就越小。但是現在還沒有一個明顯的可以讓人說“啊，好吧，就這樣吧——超對稱理論已經行不通了”的點。每個人都有自己不再相信的那個點，那個點就算不能讓人們停止相信，至少也足夠讓人們停止工作，而且他們對這個點都具有自己的偏見。大型強子對撞機實驗仍在進行中，在尋找超級夥伴方面仍有大量努力，但我的許多同事已經轉向新的研究課題。在我科學生涯的前20年裡，我咬牙切齒地認為在LHC實驗數據中會發現超級夥伴的方法，現在我幾乎把它作為一個研究課題而放棄了。
這也可能是因為我們對希格斯玻色子之謎的框架理解有誤。也許我們在計算質量的數學框架中漏掉了一些東西。研究人員一直沿著這條思路工作，到目前為止什麼也沒有找到，但這並不意味著沒有解決方案。另一種懷疑與一個事實有關，那就是重粒子的假設依賴於基於量子引力理論的論據，儘管這種理論存在數學上一致的結構，但尚未得到證實。
也許，在目前的粒子物理學研究方法中，最糟糕的跡象是：自然性的問題並不侷限於希格斯玻色子中。計算告訴我們，真空空間的能量(我們從宇宙論測量中推斷它應該是微小的)應該是巨大的。這將使宇宙的外層空間減速遠離我們，而事實上，對某些遙遠超新星的觀測表明，我們宇宙的外層空間正在加速遠離我們，超對稱理論並不能解決這個矛盾。我們中的許多人開始懷疑，能夠解決宇宙的真空能量這個更困難的問題的理論，肯定也會解決關於希格斯粒子質量這個相對更簡單的問題。
所有這些挑戰都是由於物理學堅持還原統一而產生的。無可否認，這種方法有其獨特的歷史淵源。在我上世紀90年代攻讀博士學位和早期職業生涯中，它在理論家中風靡一時，而極其複雜的弦理論數學更是它的巔峰，但我們自上而下的努力似乎都沒有取得成果。試圖理解基本原則的困難之一是它要求我們做出許多理論上的假設，其中任何一個都可能最終是錯誤的。我們希望在這個階段能夠測量出一些超級夥伴的質量，這將給我們一些數據來支持我們的假設，但我們還沒有找到任何可以測量的東西。
這並不意味著我們需要放棄統一範式，這只是意味著漸進主義比專制主義更受歡迎。
相反，我們中的許多人已經從傳統的自上而下的工作方式轉變為一種更加謙遜、自下而上的工作方式。現在，我們不再試圖通過提出一個宏大的理論並對其進行測試，而是在實驗數據中尋找蛛絲馬跡，然後一點一點地進行研究。如果一些測量與標準模型的預測不一致，我們添加一個具有相對應屬性的相互作用粒子來解釋它，然後我們看它是否與其他數據一致。最後，我們想知道未來如何觀察粒子及其相互作用，以及實驗應該如何篩選數據以進行測試。
自下向上的方法遠不如自上向下的方法雄心勃勃，但它有兩個優點：它對理論的假設較少，而且與數據緊密相連，這並不意味著我們需要放棄舊的統一範式，它只是表明我們不應該如此傲慢以至於認為我們現在可以在一步之內統一物理。這意味著漸進主義比專制主義更受歡迎——我們應該在全部情況下都使用經驗數據來檢驗和指導我們，而不是做出那些在面臨最終實驗的時候會崩潰的宏偉假設。
自下向上的一個測試例子就是底介子，底介子是一種由底夸克和輕夸克組成的複合粒子。底介子似乎在以一個“錯誤”的可能性在衰變。在大型強子對撞機上的實驗已經測量了數十億次這樣的衰變，但似乎從特定的相互作用中得到介子對的概率大約是標準模型所預測的概率的四分之三，我們還不能完全確定這種現象是否與標準模型存在強烈分歧——我們正在分析更多的數據，以確保結果不是由統計數據或一些微妙的系統錯誤造成的。
而我們中的一些人正忙於推測這些發現可能意味著什麼。兩種不同類型的、新的、未被觀察過的陌生粒子——Z-primes和輕夸克，每一種粒子都深埋在底介子的內部——它們可能是造成底介子行為失常的原因，問題是人們並不知道是哪一種(還是兩種)類型的粒子需要對此負責。為了進行檢驗，理想情況下，我們應該在大型強子對撞機的對撞中產生它們並檢測它們的衰變產物(這些衰變產物應該包括具有一定能量的介子)。大型強子對撞機有機會產生Z-primes或輕夸克，但也有可能它們太重了，而在那情況下，人們需要建造一個更高能量的對撞機：一個將能量束的強度提高到LHC的7倍雄心勃勃的計劃，這將是一個不錯的選擇。
與此同時，我和我的同事們問：“為什麼會有新的粒子存在?一種新的數學對稱性有可能是Z-primes存在的原因：它需要z素數的存在才能成立。從這個對稱中，我們得到了額外的理論約束，以及一些可能的實驗特徵的預測，這些特徵可以在將來的實驗中得到驗證。通常，底介子也被預測有一定的可能性以其他方式衰變，例如，衰變成為一個叫做反介子的東西。大型強子對撞機將在未來積極分析其數據，以獲取此類信號。
我們從一個實驗特徵開始(特定的底介子衰變與標準模型預測不一致)，然後我們試圖“塞入”一個新的假設粒子來解釋它。它的預測必須與當前的數據進行比較，以檢驗這種解釋是否仍然可行。然後我們開始建立一個額外的理論結構來預測粒子的存在，以及它的相互作用。這一理論將使我們能夠預測未來的衰變測量，以及在LHC中尋找新粒子的直接產生。只有考慮到這些測量和搜索的所有提示，並對模型結構進行調整之後，我們才可能希望將這個結構嵌入一個更大、更統一的理論結構中。這也許會使我們逐步走上統一的道路，而不是試圖一步到位地完成統一的過程。
*本文來源前瞻網
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