基本粒子和力的標準模型已經(jīng)接近我們所能想象的最完整的模型。每一種基本粒子都可以在實驗室中生成，并通過測量確定其特性。頑固分子——頂夸克和反夸克，微中子和反中微子，最后是希格斯玻色子，科學家逐漸一步步完成了對它們的測量。
特別是最后一個——希格斯粒子——它已經(jīng)困擾了科學家很久:最后，我們可以自信地解釋這些基本粒子的性質(zhì)!
圖片來源:E. 西格爾，摘自他的新書《銀河系之外》。
這很好，但即使我們已經(jīng)解答出了這部分的謎題，也并不意味著科學的終結(jié)。相反，還有一些重要的后續(xù)問題，我們總是可以問，接下來會發(fā)生什么？當談?wù)撈饦藴誓Ｐ?，我們?nèi)匀淮嬗幸苫蟆τ诖蠖鄶?shù)物理學家來說，有一點特別突出：為了找到它，我想讓你們考慮一下標準模型的以下性質(zhì)。
圖片來源:NSF, DOE, LBNL，和當代物理教育項目(CPEP)。
一方面，弱作用力、電磁和強作用力的力都是相當重要的，它們?nèi)Q于相互作用的能量和距離。
但萬有引力呢?并非如此。
如果你曾幸讀過麗莎·藍道爾寫的這本精彩的書，她寫了很多關(guān)于這個難題的東西，我認為這是理論物理學中最大的未解決的問題:等級問題。
圖片來源:維基百科共用用戶Zhitelew，粒子質(zhì)量的標準模型粒子。
我們所能做的是取任意兩個基本粒子——任意質(zhì)量的粒子和它們相互作用的任何力——然后發(fā)現(xiàn)引力實際上比宇宙中所有已知的力弱40個數(shù)量級。例如，即使它們不是基本粒子，把兩個質(zhì)子放在一公尺遠的地方，它們之間的電磁斥力大約是萬有引力的10的40次方倍?；蛘甙阉鼘懗鰜恚覀冃枰黾尤f有引力的強度10000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000，從而使它的強度與其他已知的力相等。
我們無法僅僅“制造”一個重量是正常情況下10^20倍的質(zhì)子；然而，這就是使兩個質(zhì)子克服電磁力聚集在一起所需要的力。
圖片來源:維基媒體共享用戶韋倫。
相反，如果想讓上面的反應(yīng)自發(fā)進行，則需要10^56個質(zhì)子，才能使質(zhì)子克服電磁排斥的現(xiàn)象發(fā)生。只有通過收集這么多的粒子，在它們共同的重力作用下，才能實現(xiàn)克服電磁力把這些粒子聚集在一起。事實證明，10的56次方質(zhì)子大約是一顆成功恒星的最小質(zhì)量。
這是對我們宇宙運行方式的描述，但我們不明白這其中的原理。為什么重力比其他所有的力都弱？為什么“引力電荷”（即質(zhì)量）比電荷或色荷，甚至比弱電荷弱得多？
這就是級列問題，在很多方面的類似問題都是物理學中最大的未解決的問題。我們不知道答案，但也不是完全一無所知。理論上講，我們對于解決方案有一些好的想法，并且有一個工具來幫助我們驗證這些可能性是否正確。
圖片來源：歐洲核子研究所
迄今為止，大型強子對撞機是有史以來開發(fā)的能量最高的粒子對撞機，它實現(xiàn)了在地球?qū)嶒炇覘l件下產(chǎn)生大能量。它使科學家能夠收集大量數(shù)據(jù)，精確地重建碰撞點發(fā)生的情況。這包括創(chuàng)造從未見過的新粒子(如大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)的希格斯介子)、我們熟悉的老標準模型粒子(夸克、輕子和規(guī)范玻色子)。還可能產(chǎn)生標準模型之外的任何其他粒子。
有四種可行的方法來解決級列問題。好消息是，如果這些解決方案中的任何一個是大自然選擇的，大型強子對撞機就可以找到它?。ㄈ绻麤]有，則需要繼續(xù)搜索新的解決辦法）
圖片來源:CMS合作，“希格斯玻色子雙光子衰變的觀測及其性質(zhì)的測量”，(2014)。
除了三年前宣布發(fā)現(xiàn)的單個希格斯玻色子外，大型強子對撞機沒有再發(fā)現(xiàn)新的基本粒子。(不僅如此，也沒有令人信服的新候選粒子出現(xiàn)。)此外，發(fā)現(xiàn)的粒子與標準模型希格斯粒子完全一致;沒有顯著的統(tǒng)計結(jié)果有力地表明，在標準模型之外還觀察到了任何新的模型。對一個合成的希格斯粒子來說不是，對多個希格斯粒子來說不是，對非標準模型式的衰變來說不是，對任何這類的東西都不是。
但我們開始嘗試以更高的能量觀測，從只有一半的能量到13/14 電壓，試圖找出更多的能量?？紤]到這一點，我們準備探索的層次結(jié)構(gòu)問題有哪些可能的、合理的解決方案
圖片來源：漢堡的黛西。
1)。超對稱性，簡稱SUSY。超對稱性是一種特殊的對稱性，它會導(dǎo)致任何粒子的正常質(zhì)量——這些粒子的質(zhì)量足夠大足夠大，以至于重力的強度與其他力相當——被抵消，且能達到很高的精度。對稱性還意味著，標準模型中的每個粒子都有一個超粒子伙伴，并且(未顯示)有5個希格斯粒子(為什么會有5個希格斯粒子)和5個希格斯超級伙伴。如果這種對稱性存在，那么它一定是被打破了。否則超伴星的質(zhì)量就會和正常粒子的質(zhì)量完全一樣，我們早就發(fā)現(xiàn)它們了。
如果SUSY要以適當?shù)囊?guī)模存在以解決等級問題，LHC一旦達到14 TeV的全部能量，我們就應(yīng)該至少找到一個超級伴侶，以及至少第二個希格斯粒子。否則，超級合作伙伴的存在將會產(chǎn)生另一個令人困惑的等級問題，一個沒有好的解決方案的問題。(對于那些想知道的人來說，SUSY粒子在所有能量下的缺失將足以使弦理論失效，因為超對稱性是包含粒子標準模型的弦理論的一個必要條件。)
這是第一個可能解決層級問題的方法，目前還沒有證據(jù)支持它。
圖片來源:J.R. 安徒生等人(2011)，關(guān)于LHC發(fā)現(xiàn)彩色顆粒的第一份黑色報告。
2.）技彩力，Technicolor。這不是20世紀50年代的卡通;技彩力是一個術(shù)語，指那些需要新的規(guī)范相互作用的物理學理論，以及那些既沒有希格斯粒子，也沒有不穩(wěn)定/不可觀測(即不存在希格斯粒子)希格斯粒子的理論。如果技彩力是正確的，它還需要大量有趣的可觀測粒子。雖然這在原則上可能是一個合理的解決方案，但這一發(fā)現(xiàn)的希格斯介子在合適的能量下似乎是一個基本的、自旋為0的標量，似乎使這個層次結(jié)構(gòu)問題的可能解決方案無效。唯一的解決辦法是，如果希格斯玻色子被證明不是一個基本粒子，而是一個由其他更基本的粒子組成的復(fù)合粒子。大型強子對撞機(LHC)即將以13/14 TeV的增強型能量進行全面運行，這應(yīng)該足以讓我們一探究竟。
還有另外兩種可能性，其中一種更有希望，這兩種都涉及到額外維度。
圖片來源:Flip Tanedo。
3.）扭曲的額外維度。這個理論由前面提到的麗莎·藍道爾和拉曼·桑卓姆提出，他們認為與在三維宇宙不同，在另一個維度引力和其他力一樣強大。在一個與三維宇宙不同的維度中，它與我們自己的宇宙在第四維度的距離只有10^(31)米。(或者，如上圖所示，在第五維度中，一旦包含了時間。)這很有趣，因為它是穩(wěn)定的且可以提供一個比較合理的解釋，解釋為什么我們的宇宙在一開始膨脹得如此之快(扭曲的時空可以做到這一點)，所以它比較令人信服。
它還應(yīng)該包括一組額外的粒子;不是超對稱粒子，而是卡魯扎-克萊因粒子，這是額外維度導(dǎo)致的直接結(jié)果。值得注意的是，一項太空實驗顯示，可能存在一個能量約為600 GeV的卡魯扎-克萊因粒子，相當于希格斯粒子質(zhì)量的5倍。盡管我們目前的對撞機還無法探測到這些能量，但新的大型強子對撞機應(yīng)該能夠創(chuàng)造出足夠多的能量來探測它們的存在。
圖片來源:J. Chang等人(2008)，《自然》，來自高級薄電離量熱計(ATIC)。
然而，這個新粒子也不是一定就會存在，因為這個信號只有在預(yù)期背景下才能觀察到。盡管如此，在LHC最終達到滿負荷運轉(zhuǎn)時，我們?nèi)杂斜匾涀∵@一點;幾乎任何質(zhì)量低于1000 GeV的新粒子都應(yīng)該在這臺機器的范圍內(nèi)。
未完待續(xù).....
圖片來源:卡洛琳·克萊德(2004)，摘自她在大學間高能研究所的一次演講。
4.）大的額外維度。維度不僅可以發(fā)生扭曲，也有可能發(fā)生擴大，大的超過扭曲，在規(guī)模上是10^(31)米。這個巨大的額外維度大約是毫米大小，這意味著新的粒子將開始在LHC能夠探測的范圍內(nèi)出現(xiàn)。同樣，會有新的卡魯扎-克萊因粒子，這也可能是解決等級問題的一個辦法。
但是這個模型的會導(dǎo)致的額外結(jié)果是，重力會在1毫米以下的距離從根本上偏離牛頓定律，這是很難測試的。然而，現(xiàn)代的實驗設(shè)備已足以應(yīng)付這種挑戰(zhàn)。
圖片來源:cnrs.fr低溫氦湍流和流體動力學活動。
微小的、過冷的懸臂梁上裝載著壓電晶體(當它們的形狀改變/被扭曲時釋放電能的晶體)，只有幾微米的間隔就才可以制造出來它們，如上圖所示。這項新技術(shù)允許我們設(shè)置限制，如果有“大的”額外維度，它們將小于5-10微米。換句話說，正如廣義相對論所預(yù)測的那樣，精確到比一毫米小得多的尺度下重力才是正確的。所以如果有更大的額外維度，它們的能量是LHC無法達到的，也就是說它們不能解決等級問題。
當然，也可能存在一個完全不同的層次結(jié)構(gòu)問題的解決方案，一個不會出現(xiàn)在我們目前的碰撞機中，或者可能根本沒有辦法實現(xiàn)的解決方案;這可能只是自然的方式，可能沒有任何解釋。但是，如果我們不去嘗試，科學就永遠不會進步。這就是探索的意義:推動對宇宙的認識向前發(fā)展。和往常一樣，由于大型強子對撞機的運行II已經(jīng)開始，我迫不及待地想看看除了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子之外，還會發(fā)現(xiàn)什么。
