是时候让粒子物理学回归未来

超大型 加速器在近几十年取得了非凡的发现,但我们即将看到 台式实验的 复兴

M.斯坦利·利文斯顿(左)和欧内斯特·O·劳伦斯在加州大学伯克利分校旧辐射实验室的27英寸回旋加速器前。

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


粒子物理学令人难以置信——它是雄心勃勃的研究和技术技能的令人惊叹的结合。理论家们构建了我们宇宙在最小尺度上的图景,实验家们设计了最雄心勃勃的实验来探测这个无限小的世界。

他们的成功促成了标准模型,这是一个惊人成功的理论,也是我们对自然最完整的理解,它用少量的数字、粒子和力解释了我们观察到的一切。

现代粒子物理学是人类最优秀品质的胜利:创造力、好奇心和协作。


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该领域最辉煌的成就,欧洲核子研究中心的“大型强子对撞机”,是历史上规模最大、最复杂的地面实验。它耗资 100 亿美元建造,周长 17 英里,横跨两个国家。它的超导磁体、质子束和强大的功率都是工程奇迹。在任何一天,都有多达 13,000 名杰出人士在欧洲核子研究中心工作。

毫无疑问,大型强子对撞机是我这一代粒子物理学的标志性科学机器。希格斯玻色子的发现——半个世纪前理论预测的一种粒子——是历史上最伟大的科学成就之一。

但存在一个问题。大型强子对撞机正在达到其能量极限,建造下一个伟大的对撞机大约需要 30 年时间。考虑到所涉及的巨大复杂性和成本,这个数字是保守的。它也恰好是一个学术生涯的大概寿命。

我们真的能期望整整一代年轻人在场边等待下一个实验建成吗?更重要的是,我们应该这样做吗?

十年来,粒子物理学家们一直在思考接下来会发生什么。我们应该如何解决我们知识中的许多空白?暗物质的本质是什么?我们的宇宙究竟是由什么构成的,它是如何运作的?为什么宇宙如此之大?为什么引力如此之弱?  物理学远未完成。

我认为我们应该从过去寻找答案。

第一批粒子加速器建于 1930 年代初期。约翰·考克饶夫特和欧内斯特·沃尔顿使用 200 千伏变压器将质子加速通过一根仅八英尺长的管子。欧内斯特·劳伦斯意识到,如果将管子做成圆形,并保持粒子运动,它们将加速到更高的能量。他的第一个“回旋加速器”直径为四英寸半。

在早期,粒子物理学是理论、灵感、计算、工程和修补的动态、快速发展的互动。一切都融合在一起,每一次引人注目的成功都为下一次飞跃奠定了基础,进一步激发了公众在 20 世纪对大型科学的支持。

加速器时代非常成功,我相信它会再次成功,但在过渡时期,我们应该回归本源。

在过去的 40 年里,许多动机良好、重要的理论思想已经发展起来,但尚未经过实验检验——不是因为它们不值得,而是因为我们一直专注于高能实验。这些想法暗示了新的空间维度、自然界的新力和物质的新基本组成部分的存在。这些都是非常重要的想法,不能仅仅通过提高能量来检验。

当我们专注于超大型粒子加速器时,现代技术开辟了一个新的前沿,预示着高精度粒子物理学时代的到来。这些技术可以应用于小型、精确的实验中,这些实验可以寻找广泛的新现象。这些实验可以放在桌面上,需要 10 个人而不是 10,000 人,成本只需几十万美元,而不是像大型强子对撞机这样的超级对撞机所需的数十亿美元。

我们正处于台式粒子物理实验复兴的边缘。

在过去的十年左右,许多聪明、有抱负的年轻理论家已经开始认真思考将新技术应用于以前被忽视的领域。

他们中的三位——我以前的学生,我很自豪地说——刚刚被授予著名的“突破新视野奖”:阿西米纳·阿瓦尼塔基(加拿大 Perimeter 研究所 Stavros Niarchos 基金会 Aristarchus 讲席教授)、彼得·格雷厄姆(斯坦福大学助理教授)和苏尔杰·拉杰德兰(加州大学伯克利分校亨利·申克助理教授)。

我认为这个奖项进一步证实了这些年轻科学家正在将该领域推向重要的新方向。

作为这些杰出年轻人的前任老师,我感到非常自豪。作为一名等待数十年才能在大型强子对撞机上检验我的工作的理论家,我看到了三盏明灯,他们可以帮助我们避免粒子物理学中的“失落的一代”。

我希望这项新近获奖的研究能够以与早期粒子物理学时代相同的兴奋和活力进一步受到拥抱。

如果这种情况发生,未来的几十年将是成为一名粒子物理学家的激动人心的时代——并且,从广义上讲,也是人类探索万物本质的激动人心的时代。

萨瓦斯·迪莫普洛斯是斯坦福大学人文与科学学院的浜本家族教授,以及加拿大滑铁卢 Perimeter 研究所的阿基米德杰出访问研究主席。他在粒子物理学领域的研究跨越了四十年。

Savas Dimopoulos is the Hamamoto Family Professor in the School of Humanities and Sciences at Stanford University and the Archimedes Distinguished Visiting Research Chair at Perimeter Institute in Waterloo, Canada. His research in particle physics spans four decades.

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