从无穷小到无穷大的发现

Shea — Sun, 29 Jun 2008 19:22:26 -0700

Adrian Cho　文 X.-M. Deng、Shea 译

粒子物理学家们正逐渐进入天体物理学、天文学和宇宙学的领域；他们的技术和一锤定音的方式或许会帮助我们解决宇宙中最神秘的谜题。

　　阿根廷西部的南美大草原蔓延数百千米，由灌木和草场所覆盖，它或许是喂养牛羊的最佳地方，或许是拍摄西部电影的理想宝地，又或许是在一个风清月明的夜晚，凝视满天繁星畅游于宇宙奥妙之中的令人遐想的美景之地。然而美国芝加哥大学的粒子物理学家詹姆斯·克罗宁（James Cronin）却选择了这块令人无法想象的土地来图解决天体物理学中一个长期悬而未决的问题。

　　为了捕获来自深空的粒子，克罗宁和300名同事已经来到了安第斯山脉的脚下，而这些粒子携带了比地球粒子加速器大几百万倍的能量。如果像预计的那样，那么几年之后科学家们就将发现这些宇宙射线的源头。“目前还无法做到这一点，如果能做到的话那将会是一个巨大的突破，”克罗宁说。他因为发现了在物质和反物质之间的细微不对称性而分享了1980年的诺贝尔物理学奖，这项发现也就是众所周知的CP破缺。

　　这个实验并不是小打小闹。科学家们在草场上铺设了1600个探测器，每两个探测器之间相距1.5千米。当宇宙线冲入大气时，这些探测器可以探测由此产生的雪崩粒子。当皮埃尔·奥热天文台（Pierre Auger Observatory）建成时，它将覆盖3000平方千米——芝加哥面积的5倍。忠实于其粒子物理学家所受的训练，克罗宁信奉一个简单的信条：“向规模要效益。”

[图片说明]：皮埃尔·奥热天文台占地3000平方千米，专门用来探测高能宇宙线。

　　克罗宁仅仅是摆脱受限的地面加速器而转向天空探测的众多粒子物理学家之一。近年内，科学家们已经展开了对粒子物理、天体物理和天文学之间交叉领域的探索。他们潜伏在山洞中以便探测使星系成团的暗物质粒子；把探测器沉到南极冰面和地中海水面下以便探测来自外层空间的中微子；建造γ射线望远镜以便打开宇宙的新视角；追踪超新星爆发以便解读促使宇宙加速膨胀的暗能量。所有这些努力都模糊了粒子天体物理学或天体粒子物理学的界线。

　　“很可能在下一个十年，这些努力会产生重要的发现，”荷兰国家核与高能物理研究所的粒子物理学家、从事地中海中微子探测实验的杰勒德·范·德·斯廷霍文（Gerard van der Steenhoven）说：“它令人振奋不已。”

　　粒子天体物理的进步不仅仅完善了粒子物理学而且也改变了天体物理学和天文学。粒子物理学家们已经习惯了在巨大的对撞机前从事大量的实验，他们把许多技术和实验方法引入了这个领域，从而使得这个领域的实验无论是在尺度上还是在复杂度上都取得了长足的进步。“你正在为这个领域（天文学和天体物理学）引入所需要的新文化和新方法，”美国芝加哥大学的粒子物理学家布鲁斯·温斯坦（Bruce Winstein）说，目前他从事大爆炸的余辉——宇宙微波背景辐射——的相关研究。

[图片说明]：科学家正在调试皮埃尔·奥热天文台的粒子探测器。

　　然而，粒子天体物理学是否能持续繁荣可能依赖于目前计划中的实验是否能做出任何有希望的发现。事实上，一些人指出，这个领域的未来可能部分地依赖于下一代大型粒子对撞机的新发现，目前这台对撞机正在欧洲建造。

宇宙关联

　　相反就天体物理而言，在某种程度上粒子物理正在重返过去。1932年，物理学家们通过研究宇宙射线首次发现了反物质——反电子，或称为“正电子”。同样地，几年之后，他们发现了超出组成我们日常生活的物质的第一种粒子—— μ介子。但是粒子天体物理学从空间上已经超出了粒子的研究。它把粒子物理学的研究领域描变成了宇宙学和天文学的领域，在这个领域中尽管粒子物理学家们有时在视野里还看不到任何粒子，但他们却正在追逐宇宙中最神奇的画卷。

　　大多数物理学家认为这一领域的发展可以追溯到20世纪70和80年代宇宙学和粒子物理之间概念的连接。例如，理论学家们意识到宇宙中氦的丰度给中微子种类设定了限制。发生放射性衰变时会产生中微子，它与普通物质之间相互作用非常微弱。现在物理学家们发现有三种中微子。当触及大爆炸理论时，一些物理学家们则注意到CP破缺大概解释了为什么宇宙包含了如此多的正物质和如此少的反物质。

　　还有一些物理学家意识到一种粒子理论或许对解释暗物质（无法识别的宇宙成分，它使得星系成团）的性质有帮助。粒子物理的标准模型指出物质是由夸克和轻子组成的，而交换力的粒子被称为玻色子。超对称理论扩展了这一图像，它为每个已知的基本粒子引入了仍有待发现的伙伴粒子。而这些粒子或许能够用来解释暗物质。

　　如此的联系已经使得粒子物理和宇宙学变的无法区分，欧洲粒子物理研究所的理论物理学家乔纳森·埃利斯（Jonathan Ellis）说。“我经常发现很难区分什么时候我写的是有关粒子物理方面的文章，什么时候又是有关宇宙学的文章，这是因为在我的脑海中两者难以区分，”他说。

　　受到近些年重大发现的影响，最近很多原先从事实验的科学家已经加入到了粒子天体物理学的行列中。在过去20年里，粒子物理学的巨大进展来自在日本矿井下超神冈（Super-Kamiokande）粒子探测器对太空中微子的研究。1998年，物理学家们发现一种中微子可以转换成另一种中微子，只有在中微子具有质量的情况下才会发生这一现象。标准模型假设中微子是无质量的，所以观测第一次给了我们一窥超出标准模型以外的物理学的机会。

　　另一个领域就是科学家们通过研究远距离恒星爆发（Ia型超新星）来追溯宇宙膨胀的历史。1998年，两个小组分别独立的报告了最远的超新星要比所预计的还遥远一些，从而显示了宇宙的膨胀是加速的。这一惊人的发现表明了某种神奇的“暗能量”充满了整个宇宙空间。

　　2003年，根据美国宇航局（NASA）的威尔金森微波各项异性探测器（WMAP）的观测数据，科学家们详尽地测量了宇宙微波背景辐射，从而支持了上述革命性的观点。通过分析全天微波背景辐射的微小温度变化，发现宇宙由71%的暗能量、24%的暗物质和仅仅5%的普通物质组成。

　　劳伦斯·伯克利国家实验室（LBNL）的粒子物理学家纳塔利·罗（Natalie Roe）说，暗能量和暗物质的概念点燃了科学家们想象的火种，他们不禁会问：“它们是到底由什么组成的？”“既然已经意识到夸克和轻子仅占了宇宙的5%，我想很自然的就要问余下的95%是什么，”她说，“所以对于粒子物理学家而言，暗能量和暗物质是进一步探寻的目标。”

开始行动

　　当科学家们在解释他们转行到粒子天体物理学时，理由像标准模型中的粒子一样的各式各样。绝大多数人表示，他们是被这一新领域的诱人前景所驱使的。“在标准模型被最终敲定和论证以前，粒子物理是更令人兴奋的，” 美国德克萨斯州大学的理论学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）说，1979年因其在标准模型上的工作而获得了诺贝尔奖，但是目前他正从事宇宙学的研究，“在宇宙学里，许多问题更加的开放。”

　　纳塔利·罗花费了十年的时间来高精度地研究夸克的性质，她发现，当这个领域的研究者们不知道从实验中能期望得到什么的时候，就需要开拓崭新的领域了。“我想要探寻一些我们真正不了解的东西，那些超越了标准模型的东西，”罗说，她现在正从事“超新星/加速”探测器的研究，通过测量成百上千的超新星来能检测暗能量。

　　还有许多科学家表示，他们转向了粒子天体物理学是为了寻求一个更加适宜的工作环境。华盛顿天主教大学的粒子物理学家丹尼尔·阿克里波（Daniel Akerib）说，他之所以离开了拥有数百名同事的对撞机，是因为他想在他的工作中能有更多亲身实践的机会。他说：“我只是觉得过去我把所有的时间都花费在了开会上，并没有得到任何乐趣。”现在他加入了低温暗物质搜寻（CDMS）计划的研究中。CDMS是在美国明尼苏达州矿井下运转一个极其敏感的探测器，用于探测经过的暗物质粒子。

[图片说明]：用于探测暗物质粒子的低温暗物质搜寻（CDMS）计划的实验装置。

　　因为在粒子物理学的机会缩小了所以一些物理学家们已经在新的方向上启航。美国韦恩州立大学的大卫·西纳博（David Cinabro）曾经在BTeV（费米国家加速器实验室的万亿电子伏对撞机）工作。但是2005年美国能源部突然终止了这个项目。“我面临着进退两难的境地，”西纳博。

　　西纳博本可以加入欧洲粒子物理研究所的下一代大型加速器——大型强子对撞机（LHC）——的研究，该实验计划在今年末运行。然而，他却加入了斯隆数子巡天，这一全新的天文学尝试。该计划在美国新墨西哥州阿帕奇峰使用2.5米的光学望远镜来绘制全天1/4天区中的所有天体。西纳博说，这一转变并不容易，他现在正从事超新星和暗能量的研究。“这好像又回到了大学时代，因为我就像刚进入大学的学生一样无知，”他说。尽管如此，他还是为他的决定而感到高兴。

　　少数几个科学家表示，他们纯粹是为了冒险而从事粒子天体物理学研究的。“对我而言，这只是一个不花钱就能去南极探险的一次机会，”美国堪萨斯州大学的大卫·贝森（David Besson）开玩笑地说，他目前正在南极从事中微子探测器原型机的研究。在南极麦克默多考查站的电话采访中，贝森说，探测宇宙中微子撞击冰面所产生的射电信号是一件浪漫的事情。“这就像把你带回到了5岁大的时候，你抬头仰望星空，充满了好奇，”他说，“但是在我长大的新泽西州你无法做到这一点。”

重组设备

　　随着对粒子天体物理学兴趣的增长，资金已经注入了相关的研究领域。例如，2000年美国国家自然科学基金会（NSF）设立了一个粒子和核天体物理学项目，现在它每年有1600万美元的预算。从1994年至今，英国在粒子物理和天文研究委员会之外为粒子物理学、粒子天体物理学和天文学提供了资金。然而正如粒子天体物理学的发展扩充了粒子物理学的研究范围一样，它也改变了天文学和天体物理学。

　　更加显然的是，粒子物理学家们还带来了通往新的探寻之路所需要的技术。例如，计划在10月份发射的NASA的γ射线大视角空间望远镜（GLAST）将给天文学家们打开一扇能窥视宇宙甚高能量光子的窗口。但是用于探测γ射线的“相机”却是在美国斯坦福线性加速器中心（SLAC）建造的。“最后你所需要的是能用于解决问题的最好的设备。如果它来自于其他领域，为什么我们不能用呢？”SLAC的埃杜·席尔瓦（Eduardo do Couto e Silva）说。

　　粒子物理学家们也正在以不同的形式与天文学家和天体物理学家合作，就像斯隆巡天的例子一样。当天文学家共享一个望远镜时，他们通常会把观测者的时间轮流分配到使用的仪器上。与之形成对比的是，斯隆的科学家们会以一种普遍的方式把数据汇集到一起形成一股稳定的数据流，由此这个项目的合作者就可以像对撞机实验的科学家一样以任何他们愿意的方式来分析数据。实质上，斯隆望远镜生产天文数据就像工厂生产的刹车片一样。

　　或许更加重要的是粒子物理学家们对把技术、管理和资金推向极限的大项目喜爱有佳。“他们是那些对大事毫不惧怕的人，他们习惯于说是，”芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳（Michael Turner）说，他从2003年10月到2006年4月任NSF的数学和物理学理事会的副主任。特纳说，随着粒子物理学家进入了天体物理学和宇宙学的领域，他们“向规模要效益”的风格正在加速项目规模的增长。

　　然而正当粒子天体物理学在繁荣发展之时，一些研究者对未来忧心忡忡。 NASA戈达德航天中心的粒子物理学家、GLAST的项目科学家史蒂文·里茨（Steven Ritz）担心粒子天体物理学的兴起会破坏已在建的地面加速器计划。“有时候一些项目所传达的意思是没必要建造地面加速器，因为你在太空中就能做到，”他说，“但是这并不正确。”虽然如此，许多对撞机被喊停了，尤其是在美国。SLAC将在2008年关闭PEP-II对撞机，一年以后费米实验室将关闭万亿电子伏加速器，至此美国将不再有用于粒子物理学的对撞机。

　　另一些研究者指出，当项目的规模和成本不断增大时，粒子天体物理学的发展有可能会减慢。“粒子天体物理学会像不久前的粒子物理学一样碰壁，10亿美元是一道门槛，”美国威斯康星州大学由理论转向实验的粒子物理学家弗朗西斯·哈尔森（Francis Halzen）说。哈尔森自己的实验——冰立方（Ice Cube）——就是粒子天体物理学项目发展的例证。一列巨大的光电探测器阵被植入南极冰面以下1.5-2.5千米深的地方。当超高能中微子撞入冰层时，冰立方会探测到由此发出的光。该项目计划在2011年完成，耗资2.71亿美元，涉及到400名研究人员。

[图片说明]：冰立方是位于南极的中微子探测器，深入冰面以下约2.5千米，是埃菲尔铁塔高的7倍多。

　　最糟糕的是，粒子天体物理学的未来依赖于目前计划中的实验的发现。美国斯坦福大学的理论天体物理学家罗杰·布兰德福（Roger Blandford）说，首要的大型实验将来自于暗物质的探测。“我们预先设想了暗物质是由超对称粒子组成的，”他说，“但是我们可能完全错了。”如果假设是正确的，当LHC发现了超对称粒子，粒子天体物理学的研究前景将日渐光明，反之则会变得暗淡无光。

　　而目前，从事粒子天体物理学的科学家们正为置身于如此年轻、充满活力的领域而乐此不彼，其间会充满了重大的发现与齐天高的期望。

[Science 2007年1月5日]