希格斯玻色子10年后，物理学的下一件大事会是什么？

我们一起来看看物理学家们的预测，未来几年会让我们大吃一惊的重大发现。

上图：大型强子对撞机隧道中的紧凑型介子螺线管 (CMS) 探测器。

2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家证实了对希格斯玻色子的观测，希格斯玻色子（Higgs boson）是20世纪60年代首次提出的基本粒子。玻色子的发现是一个重大的时刻，它意味着物理学家离探索与玻色子相关的场又近了一步，玻色子赋予粒子质量。

但是，自2012年以来，粒子物理学再也没有发生过“地震级”的事件。人们已经取得了很多重要的发现（比如，测量了μ子在磁场中的行为，更精确地测量了W玻色子的质量，发现了新的粒子），但没有什么比希格斯粒子的证实，更令人震惊的。

但我们并不悲观：目前有许多引人入胜的实验正在进行中，这些实验可能会为我们对亚原子宇宙的理解带来下一次重大飞跃。因此，我们筛选了几位物理学家的观点，他们分析了这种重大的突破可能会发生在哪里。以下是科学家们的观点选编。

保罗·帕德利（Paul Padley）：莱斯大学物理学家，欧洲核子研究中心CMS实验的贡献者

物理学的下一件大事将是更好地理解暗物质。许多设施将会启动，允许我们探索暗物质的本质，将会获得比迄今为止所取得的更好的成就。例如，高亮度-LHC 将使我们必须研究的希格斯玻色子的数量增加一个数量级，我们将能够以极高的精度研究它们的性质。

反过来，这也将给我们一个新的窗口，通过它来探索遍布宇宙的暗物质，因为任何与标准模型预测的偏差，都将为我们指明所涉及的新物理的方向。还有其他新设备，如宇宙微波背景辐射4期（CMB-S4），将在类似的时间框架内运行。我们有可能将这些不同设备的结果结合起来，以描绘出我们迄今为止关于遍布宇宙的暗物质的最佳图景。

“物理学的下一件大事，将是更好地理解暗物质。”

迈克尔·特纳（Michael Turner）：芝加哥大学的理论宇宙学家

这里有五种可能，至少和希格斯粒子一样令人动容。

1）发现暗物质粒子。我们有一个无懈可击的案例，即物质的数量是原子（任何形式）可以解释的（> 50 sigma）的 5 倍。我们还有很好的候选者：最轻的超对称粒子和轴子，以及具有发现能力的实验。暗物质问题已经存在了将近 100 年，亟待解决。届时，我们将揭开一个谜团，发现一种新的物质形式，并为研究宇宙的第一微秒，打开一扇新的大门。你还能要求什么呢！

2）在宇宙微波背景的极化中发现膨胀产生引力波的特征。如果“B 模”极化特征被发现并证实，这将告诉我们暴胀发生的时间，以及它是宇宙学中最古老的遗迹。（如果被探测到，这些引力波应该是在宇宙诞生 10^-36 秒时产生的。）这绝不是一项容易的任务，但实验人员已经做好了准备：在 CMB （其温度为2.76 K）中，信号是纳米开尔文级别的。

3）确认哈勃的误差是真实的。也就是说，今天直接测量的膨胀率不等于40万年前测量的膨胀率（宇宙微波背景测量），也不等于使用我们目前的宇宙学范式（Lambda CDM）向前推算的膨胀率。如果 Lambda CDM 遗漏了一些东西，那这两种测量都可能是正确的。

4）在欧洲核子研究中心发现超对称。这意味着，一个全新的粒子世界和超弦理论的第一个大“本垒打”。

5）激光干涉引力波天文台（LIGO）发现了意想不到的事情。正如我们所知的、也喜欢说的那样，最具变革性的就是在 LIGO、望远镜或加速器等新设施中的意外发现。LIGO 取得了巨大的成功，但它所发现的所有事件都和预测的一样：两个黑洞合并、两个中子星合并，以及一个黑洞和一个中子星合并。再给我们个惊喜好吗？（比如，20世纪60年代中期的脉冲星或类星体）

在这里，我并不想把“其他地方的生命迹象”作为一种可能（例如，金星、木星或土星的卫星，或系外行星的大气层中）。因为，这终将发生，唯一的问题是何时何地。

“… 我们将解开一个谜，发现一种新的物质形式，并为研究宇宙的第一微秒打开一扇新的大门。你还能要求什么呢！”

弗雷娅·布莱克曼（Freya Blekman）：汉堡大学的粒子物理学家，CMS 和 FCC-ee 合作的贡献者

这也是我们面临的一个挑战，这是我们在研究标准模型希格斯玻色子时没有遇到的。有了标准模型希格斯玻色子，你基本上就像拥有一个漂亮的拼图，只是少了这一块。你大概知道这个碎片的形状，然后你在盒子里找到它，然后把它放进去。然而，我们现在拥有的却是一个装满3D或2D拼图碎片的盒子。你无法确定会是什么样子。我们只能说：“好吧，那里应该会有一些合适东西。祝你玩得开心。”

根据标准模型，希格斯玻色子相互作用或分崩离析的频率（对于粒子物理学家来说，这两件事是可以互换的），在某种程度上取决于希格斯另一个粒子的质量。这意味着，你可以预测（如果您知道所有这些粒子的质量）它们产生的频率。当你制造希格斯玻色子时，通常希格斯玻色子应该产生这些粒子。这就是我们去年一直在检查的东西：看到希格斯玻色子衰变成 Z 玻色子，看到希格斯玻色子衰变成 W 玻色子，看到它衰变成 Tau 轻子，衰变成 B 夸克，如果它与顶级夸克相互作用。最近，它可以衰变为 μ 子 —— 这些都是对标准模型内部一致性的测试，希望我们能找到不一致的地方，这将引导我们看到标准模型从哪里开始崩溃。

有一些非常令人兴奋的暗物质实验再次上线。如果他们看到了什么，（大型强子对撞机 / LHC）可以改变我们的选择，这样我们就可以检查，我们是否也可以以一致的方式重现它。那是因为，这正是这些粒子探测器非常擅长的：一旦你知道你在寻找什么，就很容易找到一种算法来隔离这些粒子。

我指的是 Xenon 实验和 LUX-Zeplin 实验。 在过去的几年里，它们都进行了升级，现在它们又重新上线了。 这些实验里都有巨大的氙气罐（这就是为什么它们的名字都有X），他们都希望地球正在穿过暗物质，实验站在地球上，然后暗物质会产生氙原子，他们就可以检测到原子的跳动。

事实上，期望这类实验每五年就能产生突破性的诺贝尔奖获得者是不切实际的。这是一项长期的科学，你需要计划事情，你需要巨大的数据集，这是极其难以分析的。

“有了标准模型希格斯玻色子，你基本上就像拥有了一个漂亮的拼图，只是少了这一块 …… ，我们现在拥有的是一个装满3D或2D拼图碎片的盒子。你无法确定会是什么样子。”

帕特里克·科彭伯格（Patrick Koppenburg）：Nikhef 的粒子物理学家，欧洲核子研究中心LHCb 实验的贡献者

目前，我们正在为大型强子对撞机（LHC）重启准备用一个全新的 LHCb 探测器（被称为“LHCb 升级 I ”），所有的兴奋之处都是让新的探测器工作，以及数据处理链，这就是我所从事的工作。

我们的主要目标是，确定含有 B 夸克 的粒子中的“风味异常”。我非常兴奋的是，它们显示出了与标准模型的差异：与电子相比，转换成 μ 子 对的 B 夸克 似乎太少了。我10年前就开始在 LHCb 进行这项研究，所以我会密切关注它。我们在未来10年收集的海量数据，将会告诉我们答案。

如果这是真的，它需要一种与（至少）一个新玻色子相关联的新自然力。它可能是一个 Z’ 玻色子，类似于已知的 Z，也可能是完全不同的东西，如轻夸克（或两者兼而有之）。无论哪种方式，这都将是粒子物理学的一场革命。

下一个问题是大型强子对撞机能否产生这些新粒子。在 3 月的 Moriond 会议上，ATLAS 和 CMS 合作显示的数据存在一些“颠簸”。这些可能是导致“风味异常”的新粒子的初步迹象。但经验表明，随着数据的增加，这种颠簸就会消失。

如果大型强子对撞机的能量太低而无法产生这些新玻色子，我们就需要另一台机器。这可能是未来循环对撞机 (FCC) 的强大力量，它的 100 公里长度和能量是大型强子对撞机的 7 倍。或者更小但更具挑战性的 μ 子 对撞机。根据导致异常的原因（仍然希望它们能够通过更多数据进行审查），μ 子对撞机可能是理想的工具：如果我们遇到 μ 子 问题，就让我们使用 μ 子 来找出答案。

“ATLAS 和 CMS 合作显示的数据中有一些‘颠簸’…… 这些可能是导致‘风味异常’的新粒子的第一个迹象。”

大卫·托巴克（David Toback）：德克萨斯 A&M 大学的物理学家和 CDF 合作的发言人

我看到，未来10年物理学会有两个重大的突破。首先，最近费米实验室的 CDF 实验观察到W玻色子的质量与预期相差7个标准差，这将引起全世界对粒子物理标准模型的潜在突破的关注。这是非常困难的测量，但 LHC 的主要竞争对手，ATLAS 和 CMS 实验，有非常强大的探测器和大量的数据。

如果结果被证实，而且标准模型的预测没有变化，那么这一定意味着自然界中有一些新的基本粒子或力需要被发现和理解。理想情况下，任何这样的发现都将为理解充满宇宙的暗物质提供线索。

几十年来，物理学家和天文学家基本上都认为暗物质是由基本粒子组成的。下一代暗物质实验即将上线，如果自然界是这样的话，预计在未来10年内，将有足够的灵敏度来观察单个暗物质粒子的相互作用（目前考虑到宇宙学的最佳猜测是正确的）。如果它们没有，那么这将标志着我们对暗物质的性质，以及它是如何存在于我们的宇宙中的猜测，发生了根本性的转变。

无论如何，在这两个领域之间，我们对充满宇宙的基本粒子的理解，很有可能在未来10年内发生根本改变，或者我们将寻求以非常不同的方式来理解，因为大自然对她自己的秘密是如此吝啬。

目前，还不清楚大型强子对撞机能否发现暗物质。希望它能产生暗物质粒子（如果它们存在的话），但这需要它们能在质子之间的碰撞中产生。如果是这样，我们就有机会了。另一种可能性是，大型强子对撞机可以产生衰变为暗物质粒子的粒子。这是超对称的希望，但这并没有实现。如果它们能产生中微子，那么通过大量的碰撞和强大的探测器，我们就有希望发现它们。如果它们不能产生暗物质粒子，或者它非常罕见 …… 那么它们就不在游戏中了。无论哪种方法都是一个有趣的实验，但这是在探索未知的领域。完全值得一试，高风险会有高回报。

我个人的猜测是，它们将被一个专门的地下深处的探测器探测到。既然我们非常确定银河系充满了暗物质，我认为这是一个相当安全的赌注，如果暗物质是一个粒子，那么它应该在地球上自由流动（就像中微子一样）。因此，问题是像 CDMS 或 LZ 这样的暗物质探测器是否有足够的质量或足够的灵敏度来观察相互作用（同样，假设它们有相互作用）。

“我们对充满宇宙的基本粒子的理解，很有可能在未来10年内发生根本变化。”

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来源：知新了了