粒子物理学时刻:40年故事的终结?

昨天早上宣布的实验证据可能是希格斯粒子给我看过的一个故事(有时是一个部分)近40年。在某些方面,我再次感受到少年。听到被发现的新粒子。并询问我15岁的同样的问题。“它的质量是多少?”“什么衰变频道?”“什么总宽?”“有多少西格玛?”“有多少活动?”

20世纪70年代,当我还是个青少年的时候,粒子物理学是我最大的兴趣。我觉得我和那些被列在粒子的属性我曾经和我一起携带。这pk中介子λ粒子f介子等等。但在某种程度上,整个局面是一团糟。一百种粒子,具有各种详细的性质和关系。但有一些理论。夸克模型。雷其理论。计理论。s矩阵理论。目前尚不清楚哪种理论是正确的。有些理论似乎肤浅而功利; others seemed deep and philosophical. Some were clean but boring. Some seemed contrived. Some were mathematically sophisticated and elegant; others were not.

然而,到20世纪70年代中期,那些知情人士几乎已经确定了什么是标准模型。从某种意义上说,它是最香草的选择。这看起来有点做作,但也不是很做作。它涉及一些复杂的数学,但不是最优雅或最深奥的数学。但它至少有一个显著的特点:在所有候选理论中,它是最广泛允许进行明确计算的理论。这些计算并不容易——事实上,正是这些计算让我开始使用计算机进行计算,并让我走上了最终通向Mathematica..但在当时,我认为计算的困难对我和其他人来说似乎使理论更令人满意,更有意义。

不过,至少在最初的几年里,还是有惊喜的。1974年11月J / psi粒子.有人问了和今天一样的问题,首先是“质量是多少?”(那个粒子的能量是3.1 GeV;今天是126gev。)但与希格斯粒子不同的是,J/psi对几乎所有人来说都是完全意想不到的。一开始根本不清楚这是什么。它是某种真正基础的、令人兴奋的证据吗?或者从某种意义上说,它只是以前看到的东西的重复?

我自己的很第一个公布的论文(我刚满15岁,在1974年圣诞节狂热地研究)推测它和一些相关现象可能是令人兴奋的东西:电子的亚结构的迹象。但是,无论一个理论多么美好和有趣,大自然并不一定要遵循它。但在这个例子中并没有。相反,我们看到的现象被证明有一个更普通的解释:它们是另一种(第四种)夸克(c或魅力夸克).

在未来几年内,跟随了更多的惊喜。安装证据表明,电子和μ的较重类似物轻子.然后在1977年7月,在Fermilab制造的另一个“突然发现”:这个时候了粒子基于B夸克。我碰巧在1977年夏天在阿尔冈国家实验室做粒子物理,而不是远离费尔米尔。这很有趣:我记得有一种令人辱骂的发现态度。像“另一个意外的粒子物理发现;有很多更多的“。

但事实证言,这不是发生的事情。现在已经35年了,当谈到新的粒子等时,真的没有一个惊喜。(中微子群众的发现是一个部分反射,也是宇宙学中的各种发现。)实验肯定发现了东西 -WZ玻色子, QCD的有效性顶夸克.但所有这些都符合标准模型的预期;没有什么意外。

不用说,验证标准模型的预测并不总是那么容易。有几次我碰巧在前线。例如,在1977年,我计算了标准模型对魅力粒子的产生速率在质子 - 质子碰撞中。但是当时的关键实验表示,实际速度要低得多。我花了很长时间试图弄清楚可能是错误的 - 凭借我的计算或潜在的理论。但在最终 - 在一个相当形成的时刻,我理解应用科学方法 - 事实证明,错误的实际上是实验,而不是理论。

1979年 - 当我正处于“发现胶原”的前线时,发生了相反的事情。标准模型的定罪是那么大的实验甚至在计算正确完成之前也很早就同意了。虽然再一次,到底一切都很好,而且方法我发明了对实验进行分析的方法至今仍在沿用。

到了1981年,我自己也开始远离粒子物理学,尤其是因为我开始研究一些我自认为有意义的东西更根本的.但我仍然习惯于遵循粒子物理学发生的事情。而且,当我听到一些发现的发现或宣布的似乎不知何故,从标准模型中出乎意料或莫名其妙地宣布时,我经常会兴奋。但最终它一切都相当令人失望。有关每个发现的问题 - 在以后的几年里,通常会有可疑的相关性与资助决策的截止日期。每次,经过一段时间,发现会融化。只留下普通标准模型,没有惊喜。

然而,通过所有这些,总是有一个松散的最终悬垂:Higgs粒子。看不起它还不清楚,但如果标准模型是正确的,那就不得不存在。

对我来说,HIGGS粒子和相关的HIGGS机制一直似乎是一个不幸的黑客。在建立标准模型时,首先以数学上的相当原始理论开始,其中每种粒子都是完美的大量的。但实际上,几乎所有粒子(除了光子)都有非零群。HIGGS机制的点是解释这一点 - 而不破坏原始数学理论的理想特征。

这是如何它基本上是.标准模型中的每一种粒子都与在场中传播的波有关,正如光子与在电磁场中传播的波有关一样。但对于几乎所有类型的粒子,下伏场的平均振幅值为零。但对于希格斯场,人们有不同的看法。相反,有人认为存在一种非线性不稳定性这种不稳定性内置在控制它的数学方程中,导致整个宇宙的场的平均值是非零的。

然后假设所有类型的粒子都不断地与这个背景场相互作用,以这样一种方式作用,使它们有质量。但是质量呢?这取决于粒子与背景场相互作用的强度。而这又是由一个插入模型的参数决定的。为了得到观察到的粒子质量,我们只需为每个粒子插入一个参数,然后对其进行排列以得到粒子的质量。

这可能似乎是有价值的。但是在某种程度上没关系。如果该理论预测了粒子的质量,那就很好。但鉴于它没有,将它们的值插入相互作用优势似乎是合理的。

不过,还有另一个问题。为了获得观察到的粒子,整个宇宙中存在的背景HIGGS字段必须具有令人难以置信的高能量和质量密度。哪一个可能期望会有巨大的引力作用 - 实际上,足够的效果导致宇宙卷入小球。嗯,为了避免这种情况,必须假设有一个参数(“宇宙学常数”)建立在重力的基本方程中,以令人难以置信的高精度,以令人难以置信的高精度,并且与背景HIGGS场相关联的能量和质量密度的影响。

如果这似乎不够令人难以置信,那么1980年左右我参与了别的东西:这种微妙的取消无法在早期大爆宇的高温下存活。结果是宇宙扩张必须有一幅毛刺。我的计算他说这个小故障不会大到可怕的程度,但对该理论的延伸在某种程度上导致了一个大故障的可能性,实际上是整个宇宙暴涨情景的早期版本。

回到1980年,似乎似乎除非标准模型有问题,否则在Higgs粒子会出现之前不会很久。猜测是其质量可能是10 GEV(约10个质子质量) - 允许它在当前或下一代颗粒促进剂中检测到它。但它没有出现。每次建造新的粒子加速器时,都会谈谈如何找到HIGGS。但它从来没有。

早在1979年,我就从事关于可能在标准模型中可能具有什么质量粒子的问题。用于生成质量的HIGGS字段中的不稳定性耗尽了使整个宇宙不稳定的风险。我发现如果有大约300个GEV的夸张,那将会发生这种情况。这让我对顶部夸克非常好奇 - 这几乎不存在,但不被发现。直到终于1995年,它出现了173个GEV的质量,让我的脑海令人惊讶地远离宇宙的总不稳定。

希格斯粒子的质量也有一些界限。一开始它们非常松散(“低于1000 GeV”等等)。但渐渐地,他们变得越来越紧密。经过大量的实验和理论工作,到去年,他们几乎认为质量必须在110到130 GeV之间。因此,从某种意义上说,对于今天宣布的质量为126gev的希格斯粒子的证据,人们不必太过惊讶。但明确地看到希格斯粒子是一个重要的时刻。这似乎终于解决了40年的问题。

在某种程度上,我其实有点失望。我从不隐瞒——甚至对彼得·希格斯也不隐瞒——我从来没有特别喜欢过希格斯机制。它总是看起来像一个黑客。我一直希望最终会有更优雅更深刻的东西来解释像粒子质量这样基本的东西。但似乎大自然只是在为这个问题挑选一个看似平淡无奇的解决方案:标准模型中的希格斯机制。

花100多亿美元来研究这个问题值得吗?我当然这么认为。现在,实际出来的可能不是最激动人心的东西。但事先绝对不可能确定这个结果。

也许我太习惯于现代科技行业了,在这里,数十亿美元总是被花费在公司活动和交易上。但对我来说,花100亿美元来研究物理的基本理论似乎是很划算的。

我认为,这几乎可以被认为是正当的,仅仅是为了我们物种的自尊:尽管我们有所有特定的问题,我们仍在继续我们已经走了数百年的道路,在理解宇宙如何运行方面系统地取得进展。在某种程度上,看到世界范围内的人们在这个方向上齐心协力,是一件很高尚的事情。

的确,昨日凌晨熬夜看公告提醒我多一点作为一个孩子在英格兰近43年前,熬夜看阿波罗11号登陆和月球漫步(定时在黄金时间在美国而不是欧洲)。但我不得不说,对于昨天的一项世界成就来说,“这是一个5西格玛效应”显然没有“老鹰着陆”那么引人注目。公平地说,粒子物理实验与太空任务有着截然不同的节奏。但我禁不住为昨天的公告缺乏活力而感到悲伤。

当然,这是过去30年左右的粒子物理的漫长硬道路。在20世纪50年代,当粒子物理学获得粒子物理时,有一定的后续意识和“谢谢”为曼哈顿项目。在20世纪60年代和20世纪70年代,发现的步伐保持了最好的,最亮的是粒子物理学。但到20世纪80年代,作为粒子物理定居在其作为既定的学科的作用中,有没有较强的“脑流失”。在1993年取消超导超级碰撞机项目的时候,很明显,粒子物理学在基础研究中失去了特殊的地方。

就个人而言,我发现它很难看。在缺席20年后访问粒子物理实验室,并在我所记住的令人振奋的地方被记住的基础设施。从某种意义上说,这是显着的,令人钦佩的是,通过所有这一千人的颗粒物理学家持续存在,现在已经带来了我们(大概)的HIGGS粒子。但是看着昨天的宣布,我忍不住觉得有一定的辞职感。

我想,我曾希望能听到一些与我40年前听过的粒子物理学演讲本质上不同的东西。是的,粒子能量更大,探测器更大,数据速率更快。但除此之外,似乎什么都没有改变(好吧,似乎也出现了对p值等统计概念的新偏好)。利用像我这样的人努力开发的所有现代可视化技术,甚至没有令人印象深刻的珍贵粒子事件的动态图像。

如果标准型号是正确的,昨天的公告可能是我们这一代中可以在粒子加速器中取得的最后一个主要发现。现在,当然,可能会出现惊喜,但并不清楚有多少应该赌注。

那么建造粒子加速器还值得吗?无论发生什么,保持现有的关于如何做这件事的知识线索显然有巨大的价值。但要想在没有意外的情况下达到粒子能量,人们有理由期待看到新的现象,这将是极具挑战性的。多年来,我一直认为,投资于粒子加速的全新想法(例如,用更少的粒子获得更高的能量)可能是最好的选择——尽管这显然带有风险。

未来可能在粒子物理中发现立即给我们新发明或技术吗?几年前就像“夸克炸弹”似乎想象的那样。但可能没有更多。是的,可以使用粒子束进行辐射效应。但我当然不会期望在很快就会看到任何像混浊电脑,反罗本发动机或中微子断层扫描系统。当然,如果以某种方式弄清楚(而且似乎明显不可能)如何小型粒子加速器,这一切可能会改变。

从历史上看,在足够长的时间里,基础研究往往是人们能做出的最佳投资。很可能粒子物理学也不例外。但我更希望粒子物理学的重大技术成果将更多地依赖于理论的发展,而不是更多的实验结果。如果一个人找出如何创建来自真空的能量或传输信息快于光,肯定通过以新的和意想不到的方式应用理论而不是使用特定的实验结果来完成。

标准模型当然不是物理学的终结。有明显的差距。我们不知道为什么像粒子质量这样的参数是这样的。我们不知道重力是如何作用的。我们不知道宇宙学中所有的东西。

但假设我们能解决这一切。然后什么?也许到那时就会出现另一组缺口和问题。也许在某种意义上,物理学总有新的层面有待发现。

我以前当然也这么认为。但从我的工作开始一种新的科学我有了不同的直觉。事实上,我们在宇宙中看到的所有丰富,都没有理由不源自某种潜在的规则——某种潜在的理论——这甚至相当简单。

有各种各样的事情说关于这个规则可能是什么样的,以及人们如何找到它。但是这里重要的是,如果规则确实很简单,那么在基本场地上一个不应该原则需要了解太多信息来钉住它是什么。

我很高兴在一些特定类型的非常低级模型中,我已经研究过,我已经能够派生特殊的一般相对论,并得到一些提示量子力学.但在物理学中,我们知道的比我还多然而已经能够复制。

但我怀疑的是,从我们已有的实验结果来看,我们已经知道了足够多的东西来确定正确的终极理论是什么——假设这个理论确实很简单。这个理论并不能正确地计算出空间的维度数和μ -电子质量比,但会把希格斯粒子的质量或一些尚未发现的细节算错。

当然,有可能会有新的发现让终极理论看起来更明显。但我的猜测是,我们根本不需要更多的实验发现;我们只需要花费更多的努力,更好地在已知的基础上寻找最终的理论。而且很有可能是真的,进行长距离搜索所需的人力和计算机资源的成本将大大低于粒子加速器的实际实验。

事实上,最终我们可能会发现,确定这一终极理论所需的数据在50年前就已经存在了。但我们不能确定,除非事后诸葛亮。一旦我们有了最终理论的可信候选者,就很有可能建议进行新的粒子加速器实验。如果到那时,我们还没有工作的粒子加速器来实现它们,那将是最令人尴尬的。

粒子物理学是我对科学的第一个巨大兴趣。令人兴奋的是,在40年后的今天,我们终于看到了某种程度的终结。在这段时间里,首先是在粒子物理学中,然后是在所有的Mathematica.,我可能已经能够对现在已经实现的事情做出一些小贡献。

发布:18luck 物理

11评论

  1. 谢谢你!因为在F=ma的环境中长大,“你不能推绳子”,再加上高超的计算尺技术,粒子物理学对一个退休的老战斗机飞行员来说并不适用。读了这篇文章后,我可以真诚地说,我第一次开始对这里正在发生的事情有了初步的了解。感谢。

    雷Learmond
  2. 我真的很喜欢高中时的物理。因为它让我思考一些事情,理解未知。

    在阅读你的文章后,在我看来,现在每天都在寻找他们想要看到的东西。如果是这种情况,那么它真的很伤心。

    读你的文章感觉很好。谢谢你!

    fadedreamz
  3. 有趣的文章来自一个关键的内部球员。我感谢你发布这篇文章。在我的职业生涯中,我是一名电子工程师,专攻一个我称之为“应用软件”的领域,我只能作为一个外部观察者涉猎物理学。但我一直在想,今天的物理,特别是从粒子物理的角度,让我想起了我们1890年左右的情况,经典力学,麦克斯韦方程。所有的东西看起来几乎都被钉住了,只有一小块拖地。接着是那些令人讨厌的迈克尔逊-莫雷实验,这些实验“显然”是错误的,接着是灾难性的、令人不安的狭义相对论和广义相对论猜想,接着是对当时的经典物理学家来说最令人讨厌的所有可能结果——量子力学。我们或许已经驯服了粒子“动物园”,但就像迈克尔逊-莫雷一样,仍然存在与万有引力的令人不安的不和谐。我们生活在一个标准模型的驯服世界里,然而为了让comos凝聚在一起,我们仍然需要超大质量的暗物质和由暗能量主导的膨胀?为什么会有这种“黑暗”呢?黑武士? No, we are on the cusp of something exciting, and truly strange. I can’t help but feel that even if we liive in a complacent world of the very small, the world of the very large is about to intrude into that serenity in a very odd way. The best, most exciting discoveries still are ahead of us. 21st century Physics is going to be a very strange duck indeed.

    西班牙大卫
  4. 谢谢你的见解。我不同意你关于需要进一步实验的评估。超过90%的宇宙是在暗能量和暗物质中。你也明白吗?我不喜欢。

    拉里一下子
  5. 我不知道我是否同意你的乐观看法,即从现有数据可以推断出终极理论。19世纪末,见多识广的评论家发表了类似的言论;事实上,他们甚至更进一步,声称宇宙的基本定律已经被发现了。引用迈克耳逊:

    “物理科学中更重要的基本定律和事实都已经被发现了,而且这些定律和事实是如此的牢固,以至于它们被新的发现取代的可能性是极其遥远的。”

    我们都知道,这种自信是错误的。此外,我认为任何人在研究,比如说,19世纪50年代的现有信息时,都会发现发现广义相对论或量子力学是相当具有挑战性的。

    我认为这里的根本挑战是我们目前的理论几乎肯定是“终原理论”的极限,倒置采取这种限制的过程并不是一个简单的事情。量子力学是一种遗嘱,甚至在向前方向上限制时才难以达到极限:我会说我们仍然完全了解测量过程如何工作。更重要的是,我们到达的限制过程,例如,QCD或一般相对性可能非常不可逆转。可以简单地有太多一致的候选人(String理论家已经认为这是这种情况,当然)。

    就我个人而言,我怀疑最终的理论将具有完全新颖和出乎意料的特征,就像量子力学的概率本质或相对论中的时空联合。如果不突破实验的界限,我们可能永远也找不到指引我们走向这种范式转变的关键线索。对我来说,怀疑自然界在当前粒子加速器和普朗克尺度之间没有更多的花招似乎是一个糟糕的赌注——这有太多的数量级。下面有足够的空间——我不需要告诉你我引用了谁的话;-)

  6. 我也想要一个粒子加速器!!我们的呢?我们就像没有iPhone的有钱人。顺便说一下,我在TED上看到你的演讲,你的演讲激发了我学习数学。:)

    克里斯·卡尔森
  7. 亲爱的史蒂文,我有一个疯狂的想法,推导量子场论的简单规则可能是什么。如果能量是量子化的质量也是量子化的答案就太简单了!动量不可能是普朗克常数的质数倍。量子“跳跃”会跳过质动量状态。只有你和弗里曼·戴森能理解吗?你觉得呢?太疯了吗?谢谢你;布莱恩。古利特

  8. 你好,
    谢谢你精彩的入场。我能理解你的感受,如果希格斯粒子几乎是一个“黑客”解决方案。当我知道我们周围有那么多“领域”时,我有时会感到迷茫。一些离散的有限的,一些无限的连续的。我有时能听到理查德·费曼关于电磁场的演讲萦绕在我的脑海里,它们让我微笑,因为他把事情讲得很好。这些场给我们带来了质量,描述了电磁行为,同时给我们带来了时间和引力。它是如何看起来如此稳定的?领域的“极限”是什么?为什么会有极限?这是信息的来源,它是如何成为交互式信息供人类分析的。我认为还有很多问题有待解决,希格斯玻色子的发现突显出我们所知甚少。我之所以这么说,是因为我们还只是在探索碎片。 Sure we have cataloged it under the title standard ‘model’ we know what it is. But we still don’t know why the Higgs field needs to happen? why does mass and space and energy need to exist we all know it does but. why?
    我相信想象和科学会发现我们的答案。
    谢谢你们招待我的左“球场”。

  9. 物理学家是不是超前了?例一:基本量子无法以氢的形式提供氦基态的两个电子的能级。的确,如果氢的基态能量-13.6eV等于测量到的电离能,那么一个一致的理论必定有氦中的电子在-24.6 eV,即第一次测量到的电离能,但两个基态电子的总能量是-79.1..但是泡利不相容原理说氦原子中的两个氦电子是“不可区分的”,但是2×24.6不是79.1!答:泡利不相容原理是错误的。有更多的排斥,而不是更少。一个电子是-24.6,另一个是-54.4 !在一个特定的地方只能有一个电子。在你歇斯底里的回答中不要忘记能量是一种状态属性,因此不是过程的函数,只是终点状态。例二:H原子没有E-M场。电离它,就有两个场。 How fast did they get there? Where does the field energy of the two charged species go when the ion and its HOW BIG FIELD ? captures the electron and its HOW BIG FIELD? ANSWER: electrons and their fields are permanently associated and the field are the size of the universe… Higg’s Boson? Getting ahead of our understanding! Let’s get helium right first! Let’s figure out just how big the field of electron is…

  10. 你可以从小出和Goffinet函数中得到质量比。例如,这里你有这些函数用来预测顶部和底部作为奇怪和魅力的函数。

    K [u_、v_ t_]识别:= u u + v v + t t - 4 (u v + v t + t u);
    g [m1_,m2_,m3_] =
    fullsimplify [
    K [Sqrt (m1), Sqrt (m2), Sqrt (m3)] K[-√(m1), Sqrt (m2), Sqrt (m3)] K (
    SQRT [M1],-SQRT [M2],SQRT [M3] K [SQRT [M1],
    Sqrt (m2) -√(m3)];解[G[c, x, y2] == 0, G[c, y2, x2] == 0,
    G (c, x2, y) = = 0, G (c、y、x) = = 0, x = = 0.0936496024020722”,
    c = = 1.3735244201948966, G (r, x, y2) = = 0, G (r, y2 x2) = = 0,
    G (r, x2, y) = = 0, G (r, y, x) = = 0, y > = y2, x2 > = 0, r > = 0}, {x2,
    X,Y2,Y,R,C}]

    注意输出
    {x2 - > 173.5, x - > 0.0936496, y2 - > 4.18, y - > 4.18, r - > 1.37352,
    C - > 1.37352},

    同样,你可以看到Solve[G [tau, .51099, 105.65] == 0]给出的结果
    {{τ- > 3.317},{τ- > 15.6144},{τ- > 1176.74},{τ- > 1776.84}}
    正如在Koide的第一个论文中所做的那样。

    亚历杭德罗Rivero
  11. 很高兴看到艾伦·图灵的作品将成为一部以布莱切利公园为背景的好莱坞电影的基础,这是纪念他生日的好方式。http://www.mkweb.co.uk/news/leisure/keira-knightley-joins-benedict-cumberbatch-in-film-on-bletchley-parks-alan-truzing-11062013.htm.

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