新世纪物理学乌云再现!粒子物理标准模型遭冲击 缪子g-2实验装置中的磁铁(图片来源:Reidar Hahn/Fermilab) 作为描述基本粒子与作用力的最佳模型,标准模型却并不完美,这使得粒子物理学家一直在寻找存在于该模型之外的未知粒子和基本相互作用。2021年,美国费米国家实验室缪子g-2实验的数据公布,并且引发了轰动。这项试验的结果与理论预测之间存在4.2σ的偏差——距离能宣称"发现新物理"的5σ仍有一步之遥。这个结果究竟意味着什么,标准模型还能像以往一样屹立不倒吗? 缪子g-2是美国费米国家实验室开展的一项实验,旨在通过精确测量µ子在磁场中的摆动,精确地确定其磁矩。 如果这些粒子磁矩的实验值和理论预测的不一样,这其中的偏差可能就是新物理学存在的标志 ,比如一些微小、未知的影响µ子的粒子或力。根据缪子g-2合作组织在《物理评论快报》的3篇论文中的报道,此次公布的数据精度达到了前所未有的0.35ppm(ppm表示百万分之一),而在这个精度上,µ子最新数据和理论预测差了一点点(0.00000000251),置信度为4.2σ。如果达到5σ,物理学家便可以声称,这里一定出了问题。而现在,这个接近却未达到5σ的数值, 也 令不少物理学家对新物理的存在感到乐观。 综合的实验结果和目前的标准模型理论预测存在4.2σ的偏差(图片来源:Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration) 欧洲大型强子对撞机 欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名称为LHC。LHC是人类迄今建造的最大最复杂的科学设备,它的建设历时15年,耗资52亿美元。 大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深·总长27.2公里(含环形隧道)的隧道内。2008年9月10日,对撞机初次启动进行测试。 大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器,来自大约80个国家的7000名科学家和工程师。由40个国家建造。是一种将质子加速对撞的高能物理设备。 为了节省成本,物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机,而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器,代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。 LHC包含了一个圆周为27公里的圆形隧道,因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。这是先前大型电子正子加速器所使用隧道的再利用,隧道本身直径三米,位于同一平面上,并贯穿瑞士与法国边境,主要的部分大半位于法国。 虽然隧道本身位于地底下,尚有许多地面设施如冷却压缩机,通风设备,控制电机设备,还有冷冻槽等等建构于其上。 加速器通道中,主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆,以液态氦来冷却。 管中的质子是以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行。除此之外,在四个实验碰撞点附近,另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。 大型强子对撞机利用数千个种类不同,型号各异的磁体,给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体,1232双极磁体被用来弯曲粒子束,392四极磁体每个都有5到7米长,它们被用来集中粒子流。 在碰撞之前,大型强子对撞机利用另一种类型的磁体"挤压"粒子,让它们彼此靠的更近,以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小,让它们相撞,就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。 2008年9月19日,LHC第三与第四段之间,用来冷却超导磁铁的液态氦,发生了严重的泄漏,导致对撞机暂停运转。最终,这次故障导致LHC停止运行14个月,直到2009年11月它才又重新开始运转。 中国是否应该建造大型对撞机 未来世界的发展肯定以科技为主,而对于高科技产品的研究以及相应的成果也成为了未来我们所要发展的对象。在此前提下,引出了一个非常重要的问题,对于能够探索宇宙原理的大型对撞机是否应该在中国建造引起了人们的争议,有很多学者对此也是有着自己的意见。 对于支持对撞机建造者的学者而言,他们认为我们国家的GDP已经快速增长到足够的数额,所以这点钱对于我们来讲已经不算什么。 如果我们真的能够制造出高能粒子对撞机的话,那么对于我国的科技和教育发展将会有一个很大的举措,它会把全世界的科学家们吸引到中国来,进而推动我国的科研成果。 甚至有专业的人士说过,如果说我们能够真的造出对撞机,那么我们国家的科技发展道路最起码能够再往前推进20年,对撞机对于科技发展的进步贡献是很大的。 然而制造一个对撞机花费的资金是非常巨大,上面的欧洲对撞机造价高达50亿美元,后续的维修价也是非常之高,因为对撞机的内部结构非常复杂,而且非常有创造性,所以内部小环节还有很多地方没有完善,只能靠后期的不断维修来维持它的运作,这是一个极其烧钱的项目。 美国就曾建造过超导超级对撞机,在建设初期的花费预算是40亿美元。但是随着对撞机建造进程的不断深入,其花费也越来越大。要想建成这项工程,至少需要200亿美元,比一开始的预算足足多出5倍,渐渐让美国感到压力,于是美国便在1993年停止对大型对撞机的建设工程。 著名科学家杨振宁对于对撞机的建造也给出了自己的看法,他十分反对我国建造对撞机,首先费钱是他最主要的观点,第二点是我国现在的高能物理学家并不是很多,就算是我们有足够的经济条件把对撞机建造出来,到最后真正服务的却是那些外国的科学家,在一定程度上来讲,这是一种浪费。 虽然说对于国际科技发展有一定的帮助,但是这种发展并没有切实地服务到中国人民身上,到最后只能落得为他人做嫁衣的名声。 现在中国的科研也处在一个发展中的阶段,很多项目都急需钱,各个领域都需要搞研究,这些钱如果用来投入那些在短期内可以实现的项目,能够切实地服务于人民,这是最重要的一点。 准确点来讲就是我国的科研发展现在正处于婴幼儿时期,直接让他跑的话是不太现实,而且不符合常理。如果我们一味地去追求高标准的话,到最后往往会适得其反。 王贻芳 对于建设大型对撞机有着强大决心的,是曾在瑞士日内瓦的欧洲核子中心做高能粒子研究的王贻芳。在粒子学领域有着非凡造诣的王贻芳认为,正负电子对撞机的建设对科研有着很大帮助,而现在的中国是非常需要电子对撞机帮助的。 王贻芳的老师是丁肇中,也是在我国的物理领域中非同小可的人物,如今王贻芳在中科院工作,是中科院的院士,除此之外他更是当今我国高能物理的领军人物。由于身上的重任,又长年在一线工作,使得王贻芳对于我国物理科技的发展一直忧心忡忡。 另外一个著名的数学家丘成桐也认为今天的中国已经足够强大繁荣,在世界舞台上占有重要地位的中国,此时应该已经站出来为人类的崇高理想做出相应的贡献,如果说我们仅仅把资本投入到游戏、房地产以及网络上的话就心满意足,就不符合一个大国的肚量。 丘成桐也之所以提出自己的观点也正是因为预计在该项目建成之后,至少会有五六千个来自全球的一流的科学家他们来到中国并且长期居住。在一定程度上来讲,这么多优秀的头脑聚集到此,在根本上就会对中国科研的发展产生很大影响,而这些也是自动产生的,它是超越物理领域的技术和学问。 虽然说这个工程需要大量资金的投入,但是比起这些投入,对于我国技术发展和人才的引入方面则会有更大的收益。对于这个数据是否属实,我们可以通过查阅相关的文件寻找证据。 当时的英特网制造中心是在欧洲原子能研究中心,它是有20多个成员,3000位工作人员组成,每年有1万多的合作科学家及访问者,而他们所产生的博士论文数量多达1000。通过这些数据来看,丘成桐的预计并不算夸张,但是这些成效相对来讲有很大的风险性和不确定性。 辩证地看待 王贻芳院士认为我国在这一领域不能被发达国家甩在后面,我们必须也要建对撞机。 杨振宁教授将视野放到全局考虑,不单单忧心物理领域这一块,所以,由于二人的观念和视野的不同导致二人是否要建设粒子对撞机一事上有了不同见解。 杨振宁教授则认为建设发展高新科技是很重要,但一个国家还有很多事情要考量,并不可以将"鸡蛋只装在一个篮子里",二人就这个矛盾展开了一场很长的争论。 其实在这个问题上没有谁对谁错,双方只是站的角度不同。 如果将这件事情放到民众的角度来讲的话,大多数人都非常支持杨振宁先生的选择,因为虽然说我国现在GDP快速增长,但是许多领域仍需要补课,各项科学研究都需要经费,如何做好未来的科研规划,是摆在科学家和政府面前的难题。