在世界上最大的粒子对撞机上寻找新物理学的内幕

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ATLAS内部的视图, 大型强子对撞机的两个通用探测器之一。马克西米连·布里斯/欧洲核子研究中心

1977年,雷和查尔斯·伊姆斯发行了一部非凡的电影,在短短九分钟的时间里,跨越了人类知识的极限。《十次方》以一个男人在一平方米的框架内野餐毯上的俯拍镜头开始。相机平移:10米,然后是100米,然后是一公里,最后一直到当时已知的可观测宇宙的边缘——1024米。在那里,在最远的有利位置,它反转了。镜头拉近,飞越星系到达野餐现场,在那里它扎进了男人的皮肤,通过一个又一个更小的尺度向下挖掘:组织、细胞、DNA、分子、原子,最终是原子核——10-14米。叙述者流畅的画外音结束了旅程:“当一个质子充满我们的场景时,我们到达了当前理解的边缘。

在这半个世纪的时间里,粒子物理学家一直在探索十次方停止的亚原子景观。今天,这项全球努力的大部分都集中在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)上,这是一个横跨瑞士和法国边界的地下环,周围17英里(27公里)。在那里,强大的磁铁引导着数十万亿个质子,因为它们在乡村地下以接近光速的速度绕圈。当顺时针方向的质子犁入逆时针方向的质子时,物质转化为能量的搅动将质子转化为碎片:电子、光子和更奇特的亚原子 bric-a-brac。新产生的粒子径向向外爆炸,在那里它们被探测器拾取。

2012年,利用大型强子对撞机的数据,研究人员发现了一种名为希格斯玻色子的粒子。在这个过程中,他们回答了一个令人烦恼的问题:基本粒子,例如构成我们体内所有质子和中子的粒子,从哪里获得质量?半个世纪前,理论家们曾小心翼翼地设想过希格斯玻色子,以及一个伴随的场,该场将无形地弥漫空间,并为与之相互作用的粒子提供质量。当粒子最终被发现时,科学家们用香槟庆祝。不久之后,两位预言希格斯玻色子的物理学家获得了诺贝尔奖。

但现在,在发现希格斯粒子的兴奋十多年后,人们有一种不安的感觉,因为关于宇宙基本成分的问题仍然没有答案。

也许这些问题中最持久的是暗物质的身份,暗物质是一种神秘的物质,将星系结合在一起,占宇宙质量的27%。我们知道暗物质一定存在,因为我们对它的引力效应进行了天文观测。但自从发现希格斯粒子以来,大型强子对撞机没有看到任何新的粒子——暗物质或其他任何东西——尽管它的碰撞能量几乎翻了一番,它能收集的数据量增加了五倍。一些物理学家说,粒子物理学正处于“危机”之中,但即使在这种描述上也存在分歧:另一个阵营坚持认为该领域是好的,还有一些阵营说确实存在危机,但这种危机是好的。“我认为粒子现象学家群体正处于深刻的危机之中,我认为人们害怕说出这些话,”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的理论家约尼·卡恩(Yoni Kahn)说。

粒子物理学家的焦虑乍一看似乎就像棒球一样。实际上,它们涉及宇宙,以及我们如何继续研究它——如果你关心这种事情,就会感兴趣。过去 50 年的研究让我们对自然法则有了非常细致的了解,每一次连续粒子发现都阐明了事物在底部的真正运作方式。但现在,在后希格斯时代,粒子物理学家在发现、生产和研究对撞机新粒子的过程中陷入了僵局。“我们没有一个强大的信标告诉我们在哪里寻找新的物理学,”卡恩说。

因此,无论是否存在危机,研究人员都在尝试一些新的东西。他们正在重新利用探测器来搜索看起来不寻常的粒子,通过机器学习从数据中榨取它们所能榨取的东西,并规划全新的对撞机。事实证明,物理学家正在寻找的隐藏粒子比许多人预期的更难以捉摸,但搜索还没有结束——大自然只是迫使他们变得更有创造力。

一个几乎完整的理论

当伊姆斯夫妇在70年代末完成《十次方》时,粒子物理学家正在为前几十年发现的粒子“动物园”带来秩序。有点干脆,他们把这个列举了粒子种类及其动力学的框架称为标准模型。

粗略地说,标准模型将基本粒子分为两种类型:费米子和玻色子。费米子是物质的砖块——例如,两种称为上夸克和下夸克的费米子被结合在一起,形成质子和中子。如果这些质子和中子聚集在一起,并找到一个(或多个)电子来绕它们运行,它们就会变成一个原子。另一方面,玻色子是砖块之间的砂浆。玻色子负责除重力以外的所有基本力:电磁力;参与放射性衰变的弱力;以及将原子核结合在一起的强大力量。为了在一个费米子和另一个费米子之间传递力,必须有一个玻色子作为信使。例如,夸克感受到强力的吸引力,因为它们发送和接收称为胶子的玻色子。

标准型号

这个框架将四种基本力量中的三种结合在一起,将一个不守规矩的动物园驯服成只有 17 个基本粒子。

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夸克被胶子结合在一起。它们形成称为强子的复合粒子,其中最稳定的是质子和中子,它们是原子核的组成部分。

轻子可以带电或中性。带电的轻子是电子、μ子和 tau。它们中的每一个都有一个中性中微子对应物。

规范玻色子传递力。胶子携带强大的力量;光子携带电磁力;W和Z玻色子携带弱力,参与放射性过程。

希格斯玻色子是与希格斯场相关的基本粒子,希格斯场是一个渗透整个宇宙并为其他基本粒子提供质量的场。

 

近 50 年后,标准模型仍然非常成功;即使在压力测试下,它也能以极高的精度正确预测宇宙的基本特性,如电子的磁性和Z玻色子的质量。它可以远远超过十次方停止的地方,达到10-20米的规模,大约是质子大小的万分之一。“值得注意的是,我们有一个正确的模型来说明世界如何在10-20米的距离内运作。这真是令人震惊,“印第安纳州圣母大学(University of Notre Dame)的理论家塞思·科伦(Seth Koren)说。

尽管它很准确,但物理学家们还是有标准模型没有回答的问题——暗物质到底是什么,为什么物质在早期宇宙中应该以等量制造时比反物质占主导地位,以及引力如何融入画面。

多年来,数以千计的论文建议对标准模型进行修改,以解决这些悬而未决的问题。直到最近,这些论文中的大多数都依赖于超对称的概念,缩写为更友好的“SUSY”。在SUSY下,费米子和玻色子实际上是彼此的镜像,因此每个费米子都有一个玻色子对应物,反之亦然。光子将有一个超级伙伴,在SUSY中被称为“photino”,而电子将有一个“selectron”。如果这些粒子的质量很高,它们就会被“隐藏”,除非足够高能的碰撞使它们成为碎片,否则它们不会被看到。换句话说,为了创造这些沉重的超级伙伴,物理学家需要一个强大的粒子对撞机。

在没有直接证据的情况下将宇宙中的粒子数量增加一倍可能看起来很奇怪,而且过于复杂。SUSY的吸引力在于其优雅的承诺,即解决两个棘手的问题。首先,超级伙伴可以解释希格斯玻色子奇怪的低质量。希格斯粒子的质量大约是质子的100倍,但数学表明它的质量应该是质子的100万亿倍。(SUSY的快速解决方法是:每个与希格斯粒子相互作用的粒子都会增加它的质量,使其膨胀。但每个超级伙伴都会抵消其普通伙伴的贡献,从而控制希格斯粒子的质量。SUSY的第二个承诺是:那些隐藏的粒子将是暗物质的理想候选者。

SUSY对标准模型的问题非常漂亮,以至于许多物理学家认为,在2010年大型强子对撞机开始获取数据之前,他们会找到超级伙伴。取而代之的是响亮的沉默。不仅没有SUSY的证据,而且SUSY粒子解决希格斯质量问题的许多最有希望的情况也被排除在外。

与此同时,许多旨在直接探测暗物质的非对撞机实验,如果它是由超级伙伴组成的,你会看到它,但结果却是空洞的。“缺乏来自直接探测和大型强子对撞机的证据是一个非常强大的信息,该领域仍在消化,”卡恩说。

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在欧洲核子研究中心(CERN)的高亮度LHC(HL-LHC)项目的一部分内,土木工程工作已经完成。升级计划于20世纪20年代末完成,将向对撞机的光束发送更多的质子,产生更多的碰撞,从而产生更多的数据。

塞缪尔·约瑟夫·赫佐格/欧洲核子研究中心

许多年轻的研究人员——比如哈佛大学的理论家萨姆·霍米勒(Sam Homiller)——对这个想法不太执着。“[SUSY]会是一个非常漂亮的故事,”Homiller说。“自从我进来之后……这有点像这段有趣的历史。

一些理论家现在将他们的搜索从粒子加速器转向其他隐藏粒子的来源。华盛顿大学(University of Washington)的理论家玛莎·巴里亚赫塔尔(Masha Baryakhtar)使用来自恒星和黑洞的数据。“这些物体的密度非常高,通常是高温。因此,这意味着他们有很多能量可以放弃来创造新的粒子,“Baryakhtar说。在它们的核熔炉中,恒星可能会产生另一种称为轴子的暗物质候选者。地球上有一些实验旨在探测到达我们的这些粒子。但是,如果一颗恒星正在消耗能量来产生轴子,那么在天文观测中也会有明显的迹象。Baryakhtar希望这些天体能够成为地球上探测器的有用补充。

其他研究人员正在寻找方法,为SUSY等旧想法赋予新的生命。“我认为SUSY很棒——唯一不美妙的是,我们还没有找到它,”芝加哥大学的实验家Karri DiPetrillo打趣道。她指出,SUSY远未被排除在外。事实上,一些有前途的SUSY版本可以解释暗物质(但不是希格斯质量)是完全未经测试的。

在最初的调查中没有在最明显的地方发现SUSY之后,许多研究人员开始寻找“长寿命粒子”(LLPs),这是一类通用的潜在粒子,包括许多可能的超级伙伴。由于探测器主要用于观察立即衰变的粒子,因此发现 LLP 对研究人员的创造性思考提出了挑战。

“你需要以一种非常亲密的方式了解你正在进行的实验的细节,”DiPetrillo说。“这就是我的梦想——真正利用你的实验并将其发挥到极致。”

大型强子对撞机的两个通用探测器,ATLAS和CMS,有点像洋葱,具有同心层的粒子跟踪硬件。质子碰撞产生的大多数初始混乱 – 夸克的喷流和阵雨 – 立即衰变并被洋葱的内层吸收。探测器的最外层设计用于发现μ介子的干净弧形路径,μ介子是电子的较重版本。如果在碰撞中产生的LLP进入μ介子跟踪器,然后衰变,粒子轨迹将很奇怪,就像棒球从一垒而不是本垒击中一样。CMS合作组织最近的一次搜索使用这种方法来搜索LLP,但没有发现任何证据。

搜索数据的研究人员通常不相信任何特定的搜索都会发现新的物理学,但他们觉得自己有责任进行搜索。“我们应该尽一切努力确保我们不遗余力,”迪佩特里洛说。“大型强子对撞机最糟糕的事情是,如果我们正在生产SUSY粒子,却没有找到它们。

高能大海捞针

寻找新粒子不仅仅是在硬件上发挥创意的问题;这也是一个软件问题。当它运行时,大型强子对撞机每秒产生大约1PB的碰撞数据,这是名副其实的信息量。劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Lab)的数据物理学家本·纳赫曼(Ben Nachman)解释说:“我们现在无法每秒向磁带写入1PB的数据。

在未来几年,随着大型强子对撞机获得“高光度”升级,处理这些数据只会变得更加重要。从本世纪末开始,HL-LHC将以相同的能量运行,但它记录的数据将是LHC迄今为止积累的数据的10倍左右。这种提升将来自光束密度的增加:将更多的质子塞入相同的空间会导致更多的碰撞,从而转化为更多的数据。当画面充满数十次碰撞时,探测器开始看起来像杰克逊·波洛克的画作,飞溅着无法解开的粒子。

为了应对日益增长的数据负载并寻找新的物理学,粒子物理学家正在借鉴其他学科,如机器学习和数学。 “有很大的创造力和探索空间,实际上只是非常广泛的思考,”加州大学圣塔芭芭拉分校的现象学家杰西卡霍华德说。

霍华德的一个项目涉及将最优传输理论应用于粒子检测,这是数学的一个领域,涉及将物体从一个地方移动到另一个地方。(该领域的起源可以追溯到 18 世纪,当时法国数学家加斯帕德·蒙日 (Gaspard Monge) 正在考虑挖掘和移动泥土的最佳方法。传统上,粒子碰撞的“形状”——粗略地说,粒子飞出的角度——已经用简单的变量来描述。但是,利用最优输运理论的工具,霍华德希望帮助探测器对具有不寻常形状的新型粒子衰变更加敏感,并能够更好地处理HL-LHC更高的碰撞率。

与许多新方法一样,也存在疑问和问题需要解决。“这是一个非常可爱的想法,但我不知道它目前有什么用,”Nachman谈到最优运输理论时说。他是新颖的机器学习方法的支持者,他希望其中一些方法能够让研究人员进行完全不同的搜索,并“寻找我们无法找到的模式”。

尽管粒子物理学家是早期采用者,并且至少从1990年代初就开始使用机器学习,但过去十年深度学习的进步已经极大地改变了这一格局。

更强大的动力

几十年来,粒子对撞机的能量(以两个碰撞粒子的总能量来衡量)一直在上升,开辟了新的物理学领域。

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轻子之间的碰撞,如电子和正电子,是高效和精确的,但能量有限。在未来潜在的项目中,有μ介子碰撞的可能性,这将使碰撞能量大幅跃升。

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强子之间的碰撞,如质和反质子,能量高,但精度有限。虽然它将从电子(最右边)开始,但未来可能的圆形对撞机可以通过质子碰撞达到100,000(105)GeV。

 

“(机器学习)几乎总能改善事情,”加州大学圣地亚哥分校的实验家哈维尔·杜阿尔特(Javier Duarte)说。在大海捞针中寻找针头,改变信噪比的能力至关重要。除非物理学家能够找到更好的搜索方法,否则更多的数据可能没有多大帮助——它可能只是更多的干草。

对于这类工作来说,最值得注意但最低调的应用之一是完善希格斯粒子的图片。大约60%的时间,希格斯玻色子衰变成一对底夸克。在探测器中杂乱无章的碎片中很难找到底夸克,因此研究人员不得不通过希格斯衰变来研究希格斯粒子,使其成为易于发现的光子对,尽管这种情况只发生约0.2%的时间。但在几年的时间里,机器学习极大地提高了底夸克标记的效率,这为研究人员提供了另一种测量希格斯玻色子的方法。“十年前,人们认为这是不可能的,”杜阿尔特说。

希格斯玻色子对物理学家来说至关重要,因为它可以告诉他们希格斯场,希格斯场是赋予所有其他基本粒子质量的现象。尽管希格斯玻色子的某些特性已经得到了很好的研究,比如它的质量,但其他特性——比如它与自身相互作用的递归方式——仍然以任何精度未知。测量这些特性可以排除(或证实)关于暗物质等的理论。

机器学习真正令人兴奋的是它有可能进行完全不同的搜索,称为异常检测。“希格斯粒子是我们真正知道自己在寻找什么的地方发现的最后一件事,”杜阿尔特说。研究人员希望使用机器学习来寻找他们不知道要寻找的东西。

在异常检测中,研究人员不会告诉算法要寻找什么。相反,它们为算法提供数据,并告诉它用尽可能少的信息来描述数据。目前,异常检测仍处于萌芽阶段,尚未产生任何新物理学的强烈暗示,但支持者渴望在HL-LHC的数据上尝试它。

由于异常检测旨在找到任何足够不合适的东西,物理学家称这种搜索方式为“模型不可知论”——它不依赖于任何真正的假设。

不是每个人都完全参与其中。一些理论家担心,这种方法只会从对撞机中产生更多的误报——数据中更多的试探性闪光点,如“双西格玛颠簸”,因其统计确定性低而得名。这些通常是侥幸,最终会随着更多的数据和分析而消失。科伦担心,这种开放式技术的情况会更是如此:“他们似乎希望有一台机器在大型强子对撞机上发现更多的二西格玛凸起。

纳赫曼告诉我,他遭到了很多反对;他说,一位资深物理学家告诉他,“如果你心中没有一个特定的模型,你就不是在做物理学。他说,基于特定模型的搜索取得了惊人的成果——他指出希格斯玻色子的发现就是一个典型的例子——但它们不一定是故事的结局。“让数据自己说话,”他说。

制造更大的机器

粒子物理学家未来真正想要的一件事是更高的精度。质子的问题在于,每个质子实际上都是一束夸克。把它们砸在一起就像一场亚原子食物大战。将电子(及其反粒子,正电子)等不可分割的粒子相互撞击会导致更干净的碰撞,就像在台球桌上发生的碰撞一样。没有混乱,研究人员可以对希格斯粒子等粒子进行更精确的测量。

电子-正电子对撞机可以如此干净地产生如此多的希格斯玻色子,以至于它通常被称为“希格斯工厂”。但目前还没有电子-正电子对撞机具有探测希格斯粒子所需的能量。一种可能性是未来圆形对撞机(FCC)。这需要在瑞士挖掘一个周长为55英里(90公里)的地下环,是大型强子对撞机的三倍。这项工作可能耗资数百亿美元,而对撞机要到近2050年才能启动。中国和日本还有另外两个关于近期电子-正电子对撞机的提议,但地缘政治和预算问题分别使它们的前景不那么吸引人。

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μ介子对撞机内模拟粒子轨迹的快照。模拟表明,尽管环境嘈杂,但有可能从它衰变成的底夸克(红点)重建有关希格斯玻色子的信息。

D. LUCCHESI 等人。

物理学家也想去研究更高的能量。“从字面上看,这个策略从未让我们失望过,”Homiller说。“每当我们进入更高的能量时,我们都会发现一些新的自然层。用电子几乎不可能做到这一点;因为它们的质量如此之低,所以每次它们绕着对撞机转圈时,它们辐射的能量大约是质子的一万亿倍。但根据欧洲核子研究中心的计划,FCC隧道可以重新利用,以大约50年后的能量与LHC相撞,其能量是大型强子对撞机的八倍。“这在科学上是完全合理的,而且很棒,”霍米勒说。“我认为欧洲核子研究中心应该这样做。

我们能更快地获得更高的能量吗?去年12月,被冠以名义的粒子物理项目优先小组(P5)提出了该领域不久的将来的愿景。除了解决紧急优先事项,如继续为HL-LHC升级提供资金和望远镜研究宇宙的计划外,P5还建议进行“μ介子射击”——一项雄心勃勃的计划,旨在开发碰撞μ介子的技术。

μ子对撞机的想法吸引了物理学家,因为它有可能将高能量和干净的碰撞结合在一起,因为粒子是不可分割的。直到最近,它似乎遥不可及;μ介子在2.2微秒内衰变,这使得它们非常难以使用。然而,在过去的十年中,研究人员取得了长足的进步,表明,除其他外,应该有可能管理由衰变的μ介子引起的汹涌的能量云,因为它们在机器周围加速。μ子对撞机的拥护者还吹捧它更小的尺寸(10英里),更快的时间表(乐观地说,最早在2045年),以及美国站点的可能性(特别是芝加哥以西约50英里的费米国家实验室)。

有很多警告:μ介子对撞机仍然面临严重的技术、财务和政治障碍——即使它被建造出来,也不能保证它会发现隐藏的粒子。但特别是对于年轻的物理学家来说,该小组对μ子对撞机研发的认可不仅仅是一项政策建议;这是对他们未来的赌注。“这正是我们所希望的,”霍米勒说。“这为在美国拥有这种令人兴奋的、完全不同的粒子物理学前沿开辟了一条道路。这是他和其他人热衷于探索的领域。

丹·加里斯托(Dan Garisto)是纽约市的自由物理学记者。

更正:本文已更新,以更好地反映粒子物理学家使用机器学习的时间。

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