短期中微子震蕩BoreXino實驗：或許會發(fā)現(xiàn)惰性中微子
長基線中微子實驗
HL-LHC和ILC
NOVA和T2K：確定中微子的屬性
ALTAS和CMS升級
冰立方中微子天文臺
GERDA和MAJORANA
直接探測暗物質(zhì)
暗能量調(diào)查
美國《連線》雜志網(wǎng)站近日報道指出，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)標志著現(xiàn)在的粒子物理學已經(jīng)終結。接下來的幾年內(nèi)，物理實驗將集中在厘清暗物質(zhì)、中微子和希格斯粒子的屬性等之上。以下十大實驗獲得的數(shù)據(jù)和結論或許會開啟一個全新的物理學時代。
發(fā)現(xiàn)希格斯粒子：開啟物理學新時代
2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家們宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，其行為方式和標準模型中的希格斯粒子相似，疑似“上帝粒子”。2013年3月14日，CERN發(fā)布公告稱，對更多數(shù)據(jù)的分析顯示，該中心2012年宣布發(fā)現(xiàn)的新粒子“看起來越來越像”希格斯玻色子，計算結果“強有力地表明它就是希格斯玻色子”。
希格斯玻色子被認為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，有“上帝粒子”之稱，它是粒子物理學標準模型“缺失的一環(huán)”。自20世紀60年代發(fā)展起來的物理學標準模型，是一套描述強作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論，其依賴于希格斯玻色子的存在。
物理學家們認為，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)將有助于他們在未來收獲更重大的理論，其中包括能解決困擾標準模型問題的理論。但也有人認為，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，讓物理學置身于更令人困惑的境地。據(jù)媒體報道，2013年11月初，英國著名物理學家斯蒂芬·霍金在倫敦科學博物館舉行的對撞機展上表示，“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)令他失望，如果沒有發(fā)現(xiàn)這種粒子，物理學研究將變得更有趣。
或許，這聽起來有些匪夷所思，但其實，有些物理學家希望甚至期盼希格斯粒子最終被證明與他們預測的并不一樣，至少，希格斯粒子的屬性與標準模型預測的迥然不同，這樣，希格斯粒子將成為科學家們創(chuàng)建新模型的“見證人”。但結果表明，希格斯粒子的質(zhì)量幾乎與標準模型預測的一樣。另外，科學家們曾經(jīng)希望會發(fā)現(xiàn)其他新奇粒子存在的證據(jù)，指向其他理論，比如，目前流行的超對稱理論。這一理論假定，所有已知的亞原子粒子（電子、夸克和質(zhì)子等），都存在著一個質(zhì)量更大的“孿生兄弟”，但結果卻是一場空歡喜。
發(fā)現(xiàn)希格斯粒子反倒讓我們更加失望了，那么，我們該如何擺脫這種困境呢？科學家們的回答是：獲得更多的數(shù)據(jù)。在接下來的幾年內(nèi)，他們將專注于以下十大實驗，希望其能回答與暗物質(zhì)、中微子和希格斯粒子的屬性等有關問題，為我們勾勒出未來物理學的大致輪廓。
ATLAS和CMS升級：調(diào)查希格斯粒子和暗物質(zhì)的關系
超環(huán)面儀器（ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）是通用型的粒子偵測器，也是LHC的兩大關鍵實驗。ATLAS的研究人員、芝加哥大學的粒子物理學家戴維·米勒認為，這兩大探測器在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的過程中發(fā)揮了重要作用。目前，工程師們正在緊鑼密鼓地對其進行升級，預計到2015年重新啟動。
實際上，ATLAS和CMS根本無法看見希格斯粒子，它們看見的是希格斯粒子衰變成的夸克、反夸克或者兩個光子等?？茖W家們現(xiàn)在試圖通過對已有數(shù)據(jù)進行分析，厘清希格斯粒子衰變成不同粒子所需的時間，以進一步確定希格斯玻色子的屬性。同時，他們或許也能發(fā)現(xiàn)，希格斯粒子衰變成了這兩臺探測器沒有發(fā)現(xiàn)的其他粒子。美國加州理工學院的粒子物理學家瑪利亞·斯皮羅普魯表示：“希格斯粒子或許會變成某些真正奇怪的東西，比如暗物質(zhì)粒子等?！?/p>
天文觀測結果告訴我們，暗物質(zhì)擁有質(zhì)量，而希格斯粒子會賦予其他粒子質(zhì)量，因此，希格斯粒子與暗物質(zhì)之間很可能有關，LHC提供的數(shù)據(jù)能告訴我們它們之間的關聯(lián)有多強。如果科學家發(fā)現(xiàn)這種關聯(lián)，將會打開一個全新的研究領域。
NOVA和T2K：確定中微子的屬性
輕如塵、快似光，神出鬼沒，能夠輕易穿越各種物體，還可以不時變身—中微子無疑是標準模型里描述的基本粒子世界里的“世外高人”；此外，它們或許還背負著有關宇宙大爆炸的驚世之謎，因此，中微子也被稱為宇宙的秘密信使，所以，任何與它有關的線索都可謂價值連城。
中微子它們很小，幾乎沒有質(zhì)量，而且也很少同其他亞原子粒子“交往”，或許比我們所認為的還要奇特。目前，物理學家們正試圖確定它們的某些屬性，從而讓一些懸而未決的問題蓋棺定論。美國阿爾貢國家實驗室的物理學家莫里·古德曼說：“這些問題都有答案，或許在下一輪實驗中，我們就可以獲得這些答案?！?/p>
這些實驗包括美國費米國家實驗室的NuMI離軸中微子實驗（NOVA）和日本領導的T2K中微子國際合作組。
NOVA是北美地區(qū)最大、最先進的中微子探測實驗計劃，主要研究中微子的性質(zhì)，尤其是它們的質(zhì)量等信息，以及它們是否在宇宙大爆炸時期中微子與反物質(zhì)以同等數(shù)量出現(xiàn)后介入了物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱機制中。
據(jù)科學家們目前所知，電子中微子、μ中微子和τ中微子這三類中微子的質(zhì)量微乎其微，至少不到電子質(zhì)量的百億分之一，但我們并不知道具體是多少以及孰最輕孰最重。
在NOVA實驗中，費米實驗室會朝800公里外的位于明尼蘇達灰河（Ash River）的中微子探測器發(fā)射中微子束，在不到三毫秒的時間內(nèi)，生成世界上最強大的中微子束。
在日本的T2K實驗（T2K是Tokai-to-Kamioka的縮寫，即從東海到神岡的中微子實驗）中，中微子束“旅行”的距離為295公里。當這些中微子穿過地球時，三種類型的中微子之間會發(fā)生“震蕩”（即一種中微子轉換為另一種中微子）。通過比較射出點的中微子和遙遠的探測器探測到的中微子之間的區(qū)別，NOVA和T2K將能非常精確地確定中微子的屬性。
T2K已經(jīng)工作幾年，NOVA據(jù)信會在2014年開始收集數(shù)據(jù)并繼續(xù)運行6年?？茖W家們希望這兩大實驗能助力他們揭開籠罩在中微子頭上的神秘面紗。
直接探測暗物質(zhì)
暗物質(zhì)究竟是什么呢？科學家們?nèi)匀缓翢o頭緒。有人說，暗物質(zhì)是一些大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP），影響了星系和星系簇的形狀；也有人認為，暗物質(zhì)只是一個幻想，源于我們對重力的錯誤理解；還有人表示，暗物質(zhì)可能是宇宙中龐大的黑暗部分，等著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>
雖然暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙80%的質(zhì)能組成，但迄今為止，我們從來沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的行蹤。不過，物理學家們堅信，不管暗物質(zhì)是“何方神圣”，都逃不出他們的“火眼金睛”。
探索暗物質(zhì)的方法有多種，比如使用間接和直接探測，間接探測暗物質(zhì)的方法主要是依據(jù)暗物質(zhì)粒子的特點，如果大質(zhì)量弱相互作用粒子與自身的反粒子發(fā)生碰撞，就會發(fā)生湮滅，該過程可釋放出伽瑪光子，目前科學家發(fā)現(xiàn)在銀河系中央附近天區(qū)存在與暗物質(zhì)粒子行為有關的特殊“光束”，能量在130GeV左右。直接探測暗物質(zhì)的實驗室?guī)缀醵继幱诘叵律钐?，這樣可以屏蔽宇宙背景噪聲的干擾。
位于美國南達科他州的大型地下氙氣（LUX）暗物質(zhì)探測器是目前全球最先進的暗物質(zhì)探測設備之一，其位于地下1.6公里的地方，核心裝置是一個1.8米高的鈦容器，內(nèi)部充滿了液態(tài)氙氣，并冷卻到零下101攝氏度，如果大質(zhì)量弱相互作用粒子與氙原子作用，探測器就能發(fā)現(xiàn)其信號。
2013年10月30日，LUX的科學家宣布了其首次對暗物質(zhì)研究結果，結果沒有解決問題，反而使暗物質(zhì)更加神秘。在此前不久，國際空間站阿爾法磁譜儀（AMS）也進行了暗物質(zhì)探索實驗，結果同樣差強人意?？茖W家認為，當前的探測設備可能距離暗物質(zhì)粒子所需的級別還有一段距離。
另外，在意大利格朗薩索國家地下實驗室內(nèi)進行的XENON暗物質(zhì)計劃團隊也將繼續(xù)建造新的探測器并提高其靈敏度。與此同時，歐洲研究協(xié)調(diào)機構（EURECA）也計劃讓幾個已經(jīng)看見過或許是暗物質(zhì)信號的研究團隊攜手合作，以便最終揭開暗物質(zhì)的神秘面紗，建立歐洲在粒子物理學的研究地位。
GERDA和MAJORANA：搜尋反中微子
盡管標準模型取得了巨大成功，但其并非固若金湯，小小的中微子就讓它潰不成軍——標準模型認為，中微子應該沒有質(zhì)量，但我們現(xiàn)在都知道，中微子其實有小小的質(zhì)量。所以，對中微子的進一步研究或許會讓科學家們進一步攻破標準模型的防線。
“無中微子雙β衰變”實驗或許有助于解釋標準模型試圖解釋的問題：為什么宇宙由物質(zhì)組成？標準模型預測，在整個宇宙大爆炸期間，制造出來的物質(zhì)和反物質(zhì)應該一樣多，但由于這兩種物質(zhì)形式相遇后會相互湮滅，所以，宇宙應該充滿了“無”，但實際情況是，宇宙充滿了很多物質(zhì)。
當原子核內(nèi)的一個中子自發(fā)衰變成一個質(zhì)子和一個電子，并在這一過程中釋放出一個反中微子時，就發(fā)生了β衰變。但這一過程或許會發(fā)生稍許變化：一個中子吸收一個中微子并變成一個質(zhì)子和一個電子。而“無中微子雙β衰變”則是一種更罕見的情況：第一種情況下產(chǎn)生的反中微子被第二種情況下產(chǎn)生的中子吸收。
但只有在中微子是其自己的反粒子時，“無中微子雙β衰變”才能發(fā)生。目前還沒有人知道這是否是真的。如果情況的確如此，那么，在早期宇宙中，中微子衰變產(chǎn)生的物質(zhì)粒子可能會比反物質(zhì)粒子多一點，從而解釋為何宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)多。
目前，有幾項旨在確認中微子是否就是自己的反粒子的試驗正在如火如荼地進行，正在意大利格朗薩索國家實驗室地下1.4公里深處操作的鍺探測器陣列（GERDA）就是其中之一。2013年9月份，GERDA公布了第一批研究結果，結果表明，新研究沒有發(fā)現(xiàn)任何支持“無中微子雙β衰變”的證據(jù)。當然，這個結果并不能證明這種衰變不可能，只能說迄今為止，這種事件幾乎還沒有被觀測到過。與此同時，美國的馬約拉納（MAJORANA）和加拿大薩德伯里的中微子觀測站（SNO）也試圖厘清“無中微子雙β衰變”這一過程的細節(jié)。他們有望在接下來的十年內(nèi)獲得答案。
短期中微子震蕩BoreXino實驗：或許會發(fā)現(xiàn)惰性中微子
物理學家莫里·古德曼說：“中微子比我們想象的更加復雜?！弊罱囊粋€例子是中微子反應器異常。2011年的分析表明，很長時間以來，科學家們一直遺漏掉了探測核反應堆中的小部分中微子。實際上，科學家們第一次發(fā)現(xiàn)中微子，是1956年使用核反應堆發(fā)射出的中微子“洪流”才探測到這些粒子，物理學家弗雷德里克·萊因斯因此還榮膺1995年的諾貝爾物理學獎。
所以，現(xiàn)在，科學家們需要進行試驗以查看核反應堆流出的中微子。日本的CeLAND和意大利國家核物理研究院（INFN）進行的投資高達35億歐元的短期中微子震蕩BoreXino實驗（SOX）正在這樣做。
最終的結果可能會非常有趣，因為這些實驗有望發(fā)現(xiàn)新的中微子類型：“惰性中微子”。目前廣為人知的三種中微子會通過已知的四種力中的兩種（重力和弱作用力）相互作用，然而，惰性中微子僅僅通過重力來向其他粒子宣告它的出現(xiàn)。鑒于重力是弱作用力，中微子的質(zhì)量微乎其微，所以，探測到惰性中微子實際上是一個非常困難的任務。
“冰立方中微子天文臺”：探測高能中微子
“冰立方中微子天文臺”是科學家們迄今設計的最瘋狂的觀測臺之一，其位于南極洲約2.4公里深的冰層下1立方公里的冰塊內(nèi)，由86根裝備了傳感器的電纜所組成，每根電纜包含有60個光學傳感器，這5160個傳感器的使命就是搜尋太陽系和我們所在的星系外的中微子。
2010年，“冰立方中微子天文臺”竣工。2012年，其發(fā)布了首個觀測結論。盡管這一觀測臺的初衷是幫助科學家們回答宇宙深層次的問題，但其發(fā)現(xiàn)讓人更加困惑。按照道理來說，這一天文臺應該可以看見很多中微子在其面前魚貫而過，但實際上很少。
2012年4月，該天文臺探測到兩顆能量約為1千萬億電子伏特的中微子，這是科學家自1987年（這一年，天文學家首次探測到來自與我們的銀河系為鄰的大麥哲倫云內(nèi)一顆超新星內(nèi)的中微子）以來首次確定探測到來自于太陽系外的中微子?？茖W家們將其命名為“伯特”和“厄尼”（電視劇《芝麻街》中的人物），其能量為1987年觀測到的中微子的100萬倍。2013年，科學家們發(fā)現(xiàn)了一顆能級更高的中微子，并將其命名為“大鵬（Big Bird）”。
這樣的高能中微子被認為在一些極度狂暴的天體事件（比如伽馬射線爆發(fā)等）中形成。盡管天文學家們在其他觀測臺上探測到了伽馬射線爆發(fā)，但冰立方中微子天文臺并沒有看到任何中微子粒子。
夏威夷大學的物理學家約翰·勒尼德說：“迄今為止，還沒有好的模型可以解釋這一發(fā)現(xiàn)，實際上，我們喜歡這種情況，因為這意味著，我們的假設真的在某處出了錯?！?/p>
冰立方中微子天文臺將繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，但其目前得出的結論表明，我們或許需要建造一臺更大的中微子望遠鏡（或者我們需要更多時間）。也有科學家認為，覆蓋南極洲羅斯冰架1000立方公里范圍的阿里亞娜（ARIANNA）天文臺，或許能夠探測到更高能量的中微子。
長基線中微子實驗：探測中微子振蕩
為了真正解決與中微子和未來可能出現(xiàn)的新粒子有關的問題，美國物理學家們希望制造“長基線中微子實驗（LBNE）”。這一設備位于南達科他州一處煤礦中，能夠探測到距離此地1300公里遠的費米國家實驗室發(fā)出的中微子束。
科學家們試圖通過這一實驗，探測三種不同類型的中微子之間的振蕩，從而發(fā)現(xiàn)與中微子的性質(zhì)有關的信息。另外，LBNE也將回答“惰性中微子究竟是什么”這一問題。但不幸的是，這一項目的成本可能高達15億美元。隨著美國不斷壓縮科研開支，能源部要求物理學家們重新提供一些比較廉價的計劃來代替。
不過，這一領域的很多科學家樂觀地認為，資金問題會在未來幾年內(nèi)得到解決?；蛟S，在接下來的十年內(nèi)，LBNE這樣的探測器會被成功建造并幫助科學家們解答問題及提供更多需要他們?nèi)ヌ剿鞯木€索。
LHC的繼任者：將產(chǎn)生更多希格斯玻色子
LHC找到且只找到了希格斯玻色子，它沒有發(fā)現(xiàn)任何一個奇異的粒子，比如我們所猜想的已知粒子的“重量級”伙伴——超對稱粒子。這些粒子也許依舊在那里，只是因為太重了，以至于LHC也有心無力，所以，科學家們開始對LHC進行升級。如果一切按計劃行事，那么，到2020年，升級后得到的高亮度大型強子對撞機（HL-LHC）將成為科學研究的助推器。
高亮度大型強子對撞機將會顯著增加對撞質(zhì)子的能級，達到30萬億電子伏特，為LHC目前最大對撞能級（7萬億電子伏特）的三倍多。不過，這與美國于上世紀90年代中期因故“夭折”的超導超級對撞機（SSC）相比還是相形見絀，SSC將能達到40萬億電子伏的能量。
加州理工大學的粒子物理學家瑪利亞·斯皮羅普魯說：“從這么龐大的機器那兒收集數(shù)據(jù)將成為一個巨大的挑戰(zhàn)”。而且，科學家們也將不得不學會如何更好地對實驗中的蛛絲馬跡進行分析，從而發(fā)現(xiàn)極端罕見的事件。
另外一個已納入科學家們的議事日程，被列為后LHC時代首選方案的是國際直線對撞機（ILC），這是一對長達11千米的電子槍，槍口相對，像是要進行一場亞原子級別的決斗。2013年年初，項目組在日本北部擬選了地址。日本政府也將這一計劃看作振興當?shù)亟?jīng)濟的一劑強心針，為此，負擔了一半的建造成本，另外可能高達35億美元的資金將由美國和歐洲提供。
ILC有望制造出大量的希格斯玻色子，使科學家們能精確確定其屬性。它或許也會揭示另外一些反常的事件，引導科學家們發(fā)現(xiàn)其他理論。ILC有望于2016年開始建造，10年后竣工。
暗能量調(diào)查
20世紀末最令人意想不到的發(fā)現(xiàn)之一是發(fā)現(xiàn)暗能量?？茖W家們對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，科學家們推論出宇宙中存在著壓強為負的“暗能量”。
暗能量究竟是什么？科學家們也是一頭霧水。不過，有幾項正在進行的研究或許會告訴我們些許答案。
其中之一就是“暗能量調(diào)查（DES）”項目，這一項目由美國芝加哥大學的喬舒亞·弗里曼領導。弗里曼計劃對天空八分之一的范圍進行掃描，對10萬個星系團進行調(diào)查，測量這些星系團內(nèi)的3億個星系與地球的距離。DES項目的最終目標是追蹤星系團的大小和形狀隨時間如何發(fā)生變化，從而為科學家們提供重力和暗能量之間如何角力的詳情。重力會讓宇宙的膨脹減速，導致星系團變得更加緊密；而暗能量則會讓宇宙的膨脹加速，導致星系團分崩離析。因此，星系團收縮或膨脹的速度就彰顯了重力和暗能量之間的相對強度。
以前的觀察已經(jīng)表明，在宇宙長達137億年的生命中，有一大半時間里，重力占據(jù)了主動，但在大約60億年前，暗能量開始掌權。DES項目尤其希望能對這一過渡時期進行研究，他們的想法是通過研究大約100億光年遠的星系團這一簡單的辦法來獲得100億年前宇宙的情況。
另一個正在進行的霍比—埃伯利望遠鏡暗能量實驗（HETDEX）則試圖通過觀察早期宇宙中非常遙遠的星系來厘清暗能量的演化過程。
(來源:科技日報)
