来论 | 中国投巨资建设加速器,不应寄望于偶然发现

赛先生 2016-01-05

许岑珂 美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理系副教授


中国近年来在自然科学的各个领域都取得了巨大的进步,在某些领域甚至达到或超越了世界一流水平。近一年来,对于中国将要建设远超过欧洲大型强子对撞机(LHC)的巨型加速器的讨论非常热烈。本人人微言轻,但对此事也有一些意见。不求对相关决策有任何影响,仅供大家参考。

加速器是一种高能物理用于探索微观世界的传统工具。根据爱因斯坦的质能关系公式,粒子的质量也是其静止时候的能量。质量轻的粒子用加速器加速到极高的动能以后对撞,若能量足够高,就有可能把这些粒子“撞碎”,还可能撞出新的更小、更微观、质量更重的粒子,之前粒子的高动能会转化成这些更微观粒子的质量。所以在物理学中,微观(小尺度)与高能(高动量)似乎是分不开的。随着人类看物质的尺度越来越小,加速器的能量也越来越大,花费也越来越高。

但是人们准备修建加速器的时候,如何知道加速器的能量要达到多少,才能看到新的粒子呢?这往往需要在理论上对新粒子的质量(静能量)做一个可靠的估计。前些年在Large Hadron collider(LHC)上发现的希格斯玻色子(Higgs boson)是粒子物理标准模型(Standard Model)预言中存在但唯一等待发现的粒子。因为其他的粒子都已经被发现了,人们对于希格斯玻色子的质量的估计是很可靠的,正是在这个可靠的预言之下,希格斯玻色子被成功发现了。

那么现在我们是不是处在一个应该修建超越LHC的巨型加速器的时候呢?我认为火候未到。超出标准模型的理论模型很多,但是大多没有给出对于新粒子质量的可靠预言。其中最著名的一类理论就是超对称理论。超对称理论会引入大量的新粒子,如果该理论是正确的,那么将会有大量的新粒子等待着我们去发现。

但是,超对称理论最初提出的动机是纯数学的,甚至是美学的,也就是说要引入一个对称性让玻色子和费米子相互转化。超对称的确给了我们一些非常漂亮的量子场论模型,在这些场论模型中,因为有了超对称这个强大武器的存在,很多物理量可以严格计算,还有很多结论可以被严格证明,这在没有超对称的场论中是非常困难的。所以超对称对于量子场论的理论研究有非常重要的意义。

但是,并没有什么确凿的证据需要我们在描述现实世界的理论中引入这个对称性。我们的大自然不一定要选一个人类可以严格解的理论来描写自已。即使超对称在现实世界中不存在也不会有什么本质问题。之前提到的希格斯玻色子则不同,它必须要在现实世界的理论中存在,否则我们将不能理解为什么规范玻色子会有质量,这样就会与现实世界的实验事实相违背。而超对称并没有希格斯粒子的这种“必要性”,所以超对称理论也就不能对这些新粒子的质量给出完全自信的预言。我们也就不确定是应该把加速器的能量提高十倍还是一百倍才能看到新的粒子。在缺少理论指导下建设的加速器,很有可能最后会变成一个烂尾工程。

当然,在没有明确理论预言的情况下,偶然发现新粒子也不是不可能。最近LHC宣布的质量在750GeV的疑似超出标准模型的新粒子就是一个偶然发现,但其真实性还需要未来大量的新数据来进一步证实。要中国投巨资建设的重大项目,不能寄希望于偶然发现。

前事不忘,后事之师。日本曾经就搞过一个著名的烂尾加速器,叫“TRISTAN”(Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon),建成于1986年。这个加速器的目标是寻找当时尚未发现的顶夸克(Top quark)。然而,顶夸克的质量在当时没有可靠的理论预言。于是Tristan的设计就基于不够可靠的估计。最后,日本在TRISTAN上没有任何重要发现。顶夸克最终是在美国的费米实验室被发现的。

唐代杜牧在《阿房宫赋》中有云:“秦人不暇自哀,而后人哀之;后人哀之而不鉴之,亦使后人而复哀后人也。”我们今天站在21世纪的高度,既有古人的经验教训,也有邻国的前车之鉴,若不加以借鉴,实在可惜。对于微观世界的探索,应该不只有发扬愚公移山精神这一条路。我们应该尽量开发新的实验技术和手段,取代传统的费时费力的办法。在穷尽了这些努力之前,我认为我们不应着急建设更大规模的加速器。


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