基本粒子和力的標(biāo)準(zhǔn)模型目前已經(jīng)快要達(dá)到我們所想象的“完成”狀態(tài)。每種不同形式的基本粒子，都是在實(shí)驗(yàn)室里被創(chuàng)造出來，并在測量后被確定性質(zhì)。最后的頑固分子——頂夸克和反夸克，微中子和反中微子，以及希格斯玻色子，也都落入了我們的探測陷阱。

特別是最后的希格斯粒子，解決了物理學(xué)中一個(gè)長期存在的問題：現(xiàn)在，我們可以自信地解釋這些基本粒子的靜止質(zhì)量從何而來!

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圖片來源:E. Siegel，摘自他的新書《銀河系之外》。

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這確實(shí)很棒，但這并不意味著我們完成謎題的一部分后科學(xué)就此結(jié)束。相反，這還有一些重要的后續(xù)問題。比如我們總是在問，“接下來會發(fā)生什么?”但當(dāng)說到標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí)，我們卻還沒將它完全搞清楚。對于大多數(shù)物理學(xué)家來說有一件事特別重要，為了找到它，希望先思考一下標(biāo)準(zhǔn)模型的下列性質(zhì)。

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圖片來源:NSF, DOE, LBNL，和當(dāng)代物理教育項(xiàng)目(CPEP)。

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一方面，弱力、電磁力和強(qiáng)力都是相當(dāng)重要的，這取決于相互作用的能量和距離。

但萬有引力呢?并非如此。

如果你曾有機(jī)會讀過Lisa Randall寫的一本精彩的書，會發(fā)現(xiàn)其中有很多內(nèi)容都是關(guān)于這個(gè)難題，而這個(gè)難題我認(rèn)為是理論物理學(xué)中最大的未解決的問題，即級列問題。

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圖片來源:維基百科共用用戶Zhitelew，粒子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。

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我們所能做的是取任意兩個(gè)基本粒子，其具有任意質(zhì)量和任意相互作用力，然后發(fā)現(xiàn)引力實(shí)際上比宇宙中其他已知的力弱40個(gè)數(shù)量級。這意味著引力比其他三種力弱10的40次方倍。例如，即使它們不是基本粒子，如果你把兩個(gè)質(zhì)子放在一公尺遠(yuǎn)的地方，它們之間的電磁斥力大約是萬有引力的10^40倍?；蛘撸谶@我把它寫出來一次，我們需要把重力的強(qiáng)度增加10000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000，以便使它的強(qiáng)度可以與其他已知的力相比較。

你不能讓一個(gè)質(zhì)子的重量是正常情況下的10^20倍，這將使引力把兩個(gè)質(zhì)子聚集在一起，從而克服了電磁力。

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圖片來源:維基共享用戶Wereon的公共領(lǐng)域作品。

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相反，如果你想讓上面的反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，讓質(zhì)子克服它們的電磁排斥，你需要10^56個(gè)質(zhì)子。只有通過收集這么多的粒子，在它們共同的引力作用下，你才能克服電磁力把這些粒子聚集在一起。事實(shí)證明，10的56次方質(zhì)子大約是一顆完整恒星的最小質(zhì)量。

這是對宇宙運(yùn)行方式的描述，但我們不明白其原因。為什么引力比其他力弱這么多?為什么是“引力電荷”(質(zhì)量)比電荷或彩色電荷弱得多，甚至比弱電荷弱得多?

這就是級列問題，這個(gè)問題在很多方面都是物理學(xué)中最大的未解之謎。我們不知道答案，但我們也不是完全一無所知。從理論上講，我們有一些關(guān)于解決辦法的好主意，并且有一個(gè)工具來幫助我們調(diào)查這些可能性是否正確。

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圖片來源:Maximilien Brice (CERN)。

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迄今為止，大型強(qiáng)子對撞機(jī)——有史以來開發(fā)的能量最高的粒子對撞機(jī)，在地球上的實(shí)驗(yàn)室條件下已經(jīng)達(dá)到了前所未有的能量，收集了大量的數(shù)據(jù)，精確地重建了在碰撞點(diǎn)發(fā)生的事情。這包括創(chuàng)造從未見過的新粒子(如大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的希格斯介子)，以及我們熟悉的老式標(biāo)準(zhǔn)模型粒子(夸克、輕子和規(guī)范玻色子)，如果它們存在，它可以產(chǎn)生任何可能存在于標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子。

有四種可能的方式——這是我所知道可以解決級列問題的四個(gè)方法。實(shí)驗(yàn)的好消息是，如果這些解決方案中有一個(gè)是自然選擇的，LHC（大型強(qiáng)子對撞機(jī)）應(yīng)該會找到它! 如果沒有，我們需要繼續(xù)尋找。

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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)。

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除了三年前宣布發(fā)現(xiàn)的單個(gè)希格斯玻色子，LHC沒有發(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(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子完全一致，沒有顯著的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來有力地表明，在標(biāo)準(zhǔn)模型之外還觀察到了合成的希格斯粒子，多種希格斯粒子，非標(biāo)準(zhǔn)模型式的衰變，任何這類東西的新的物理現(xiàn)象。

但是，我們已經(jīng)開始以更高的能量獲取數(shù)據(jù)——從原來的一半提高到13 / 14兆電子伏，試圖以此去找到更多未知的東西。在此之前，請考慮到這一點(diǎn)，對于我們即將探索的級列問題什么是可能的、合理的解決方案?

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圖片來源:DESY在漢堡。

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1)超對稱性，簡稱超對稱性。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)量大到與重力的強(qiáng)度與其他力相當(dāng)然后被抵消，而且精度很高。對稱性還意味著，標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個(gè)粒子都有一個(gè)超粒子伙伴，并且有5個(gè)希格斯粒子和5個(gè)希格斯超級伙伴。如果這種對稱性存在，那么在此它一定是被打破了，否則超伴星的質(zhì)量就會和正常粒子的質(zhì)量完全一樣，以至于無法像現(xiàn)在這樣被我們所發(fā)現(xiàn)。

如果SUSY要以適當(dāng)?shù)囊?guī)模存在以解決等級問題，那么LHC一旦達(dá)到14 TeV的全部能量后，應(yīng)該至少找到一個(gè)超級合作伙伴，以及至少第二個(gè)希格斯粒子。否則，超級合作伙伴的存在會產(chǎn)生另一個(gè)困惑且沒有解決方案的等級問題。(對于那些想知道答案的人來說，如果在所有能量下都沒有SUSY粒子那么弦理論將失效，因?yàn)槌瑢ΨQ性是包含粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的弦理論的一個(gè)條件。)

這是第一個(gè)可能解決級列問題的方法，目前還沒有依據(jù)支持。

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圖片來源:J.R. Andersen等人(2011)，LHC發(fā)現(xiàn)彩色顆粒的第一份黑色報(bào)告。

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2)?彩色印片（technicolor）。這不是指20世紀(jì)50年代的卡通; 彩色印片（technicolor）是一個(gè)術(shù)語，指那些需要新的規(guī)范相互作用的物理學(xué)理論，以及那些要么沒有希格斯粒子，要么不穩(wěn)定/不可觀測希格斯粒子的理論。如果 彩色印片（technicolor）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(gè)合理的解決方案，但發(fā)現(xiàn)的希格斯介子在合適的能量下似乎是一個(gè)基本自旋為0的標(biāo)量，將使這個(gè)級列問題的可能解決方案無效。唯一的出路是，如果希格斯玻色子最終不是一個(gè)基本粒子，而是一個(gè)由其他更基本的粒子組成的復(fù)合粒子。LHC即將以13/14 TeV的增強(qiáng)型能量全面運(yùn)行，這應(yīng)該足以讓我們一探究竟。

還有另外兩種可能性，一種比另一種更有希望，這兩種都涉及到額外維度。

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圖片來源: Flip Tanedo, via http://www.physics.uci.edu/~tanedo/docs.html.

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3)扭曲的額外維度。這個(gè)理論由前面提到的Lisa Randall和Raman Sundrum提出，認(rèn)為重力和其他力一樣強(qiáng)大，但在我們的三維宇宙中不是這樣。它生活在一個(gè)不同的三維宇宙中，它與我們所在的第四維度宇宙之間的距離只有10^(- 31)米。(或者，如上圖所示，在第五維度中，包含了時(shí)間。)這很有趣，因?yàn)樗欠€(wěn)定的，而且它可以提供一個(gè)可能的解釋關(guān)于為什么我們的宇宙一開始膨脹得如此之快(扭曲的時(shí)空可以做到這一點(diǎn))，所以它有一些可信的好處。

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，它是存在額外維度的直接結(jié)果。值得注意的是，一項(xiàng)太空實(shí)驗(yàn)表明，可能存在一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于希格斯介子5倍，能量約為600 GeV的卡魯扎-克萊因粒子。盡管我們目前的對撞機(jī)還無法探測到這些能量，但新的大型強(qiáng)子對撞機(jī)應(yīng)該能夠制造出足夠多的能量來探測它們——如果它們存在的話。

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圖片來源:J. Chang等人(2008)，《自然》，來自高級薄電離量熱計(jì)(ATIC)。

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然而，這個(gè)新粒子的存在絕不是必然的，因?yàn)檫@個(gè)信號只是在預(yù)期的背景下觀察到的電子過剩。不過，有一點(diǎn)值得牢記，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)最終達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，幾乎任何質(zhì)量低于1000gev的新粒子都應(yīng)該在這臺機(jī)器的范圍內(nèi)。

并且最終......

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圖片來源:Caroline Collard(2004)，摘自她在大學(xué)間高能研究所的一次演講。

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4)大的額外維度。有別于被扭曲的，額外的維度可以是“大的”，大只是相對于扭曲的維度大，在尺度上是10^(-31)米?！按蟮摹鳖~外維度大約是毫米大小，這意味著新的粒子將在LHC能夠探測的范圍內(nèi)出現(xiàn)，同樣也會有新的卡魯扎-克萊因粒子，這可能是解決級列問題的一個(gè)辦法。

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但是這個(gè)模型的一個(gè)額外結(jié)果是引力會在一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)代實(shí)驗(yàn)主義者已經(jīng)能夠應(yīng)付這種挑戰(zhàn)了。

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圖片來源:低溫氦湍流和流體動(dòng)力學(xué)活動(dòng)。

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微小的、過冷的懸臂梁上裝載著壓電晶體(當(dāng)它們的形狀改變/被扭曲時(shí)釋放電能的晶體)，它們之間只有幾微米的間隔就可以被制造出來，如上所示。這項(xiàng)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，就廣義相對論的預(yù)測而言，引力是正確的，其尺度遠(yuǎn)小于一毫米。所以如果有更大的額外維度，它們的能量是LHC無法達(dá)到的，更重要的是，它們不能解決級列問題。

當(dāng)然，要么有完全不同的解決級列問題的辦法，即有一個(gè)不會出現(xiàn)在我們目前條件下的對撞機(jī)，要么這可能只是大自然的現(xiàn)象，沒有任何解釋，根本就沒有解決級列問題的辦法，。但是，如果我們不去嘗試，科學(xué)就永遠(yuǎn)不會進(jìn)步，這就是這些想法和探索的意義:我們試圖推動(dòng)我們對宇宙的認(rèn)識向前發(fā)展。和往常一樣，大型強(qiáng)子對撞機(jī)運(yùn)行II已經(jīng)開始了，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!

作者: Ethan Siegel Senior Contributor

FY: 別的柱子

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