快看宇宙 毀滅地球謠言是假的！但大型強子對撞機，正在打開地獄大門？

大型強子對撞機啓動前,好多人瘋狂預言,粒子對撞會造出吞噬地球的黑洞,還說會打開通往另一個維度的蟲洞。 結果呢?啥都沒有。 但今天我要告訴你一個更嚇人的真相,對撞機可能真的打開了一扇門。 不是科幻裏的顛倒世界,是一個藏在現實背後的暗領域。 這是一個假設的粒子家族和構成你我,構成整個世界的標準模型粒子,平行存在者,我們卻完全看不見它們。 你們說,這會不會是暗物質謎題的終極答案? 歡迎收看快看宇宙第404期。 更關鍵的是,這扇門本身就是LHC當初建造的初衷——希格斯玻色子。 還記得2012年嗎?希格斯玻色子被發現的那一刻,物理學家們都瘋了。 歡呼雀躍之後,有人捧回了諾貝爾獎。 但他們沒閒着,立刻回頭給對撞機加能量。 他們盼着能找到一種粒子,能把物理學帶到下一個層級,比如超對稱粒子。 這種粒子能解釋希格斯玻色子的質量,能當暗物質的候選者,甚至能撐起弦理論。 可結果呢?啥都沒找到。 有人猜,可能沒發現的粒子質量太大,現有能量還不夠把它們造出來。 畢竟智能方程擺那兒,能量不夠,對應的質量就出不來。 我們接着給對撞機加能量,一遍又一遍,還是一無所獲。 現在LHC已經快達到最大設計能量,最近一次運行到了6.8T電子弧,目標上限是7T電子弧。 在達到這個極限前,想發現新粒子,希望越來越小了。 失望嗎?可能有點,但就爲了造出希格斯玻色子,建LHC就值得嗎? 絕對值得。它不光補全了標準模型,希格斯玻色子本身可能就是通往新物理學的鑰匙。 而這個新物理學說不定就能徹底解開暗物質的祕密。 以前我們找暗物質總盯着某一種單一粒子,就好像給標準模型打個補丁就能解決所有問題一樣。 最有希望的候選者之一是惰性中微子,但費米實驗室最近基本排除了這個最簡潔的解釋。 惰性中微子的方案還沒完全被推翻,可已經越來越站不住腳了。 還有人說超對稱理論預言的那些高質量未發現粒子就是暗物質, 但LHC幾乎不可能找到它們。 總的來說,把暗物質當成單一粒子的可能性正變得越來越小,小到讓人擔心。 或許問題根本不在這兒,也許暗物質從來就不是單一粒子, 也許存在一整個粒子家族和標準模型平行存在,我們這些由標準模型粒子構成的生物根本看不見它們。 這怎麼可能做到? 要想當暗物質,這種粒子必須極難,甚至根本無法通過標準模型的粒被探測到, 也就是電磁粒、弱核粒、強核粒這三種粒。 這些粒子和這三種粒的偶合必須極其微弱,甚至完全沒有。 到最後,連接暗粒子和標準模型粒子的就只剩下引力了。 要想對標準模型完全隱形,暗物質不能攜帶任何標準模型的核,沒有電荷、沒有色核、也沒有弱核。 我們能想象出這樣單獨的一個粒子,但更合理的可能是一整個粒子家族都不與標準模型偶合。 這個家族就叫暗領域,裏面穩定的粒子就是最完美的暗物質候選者。 暗領域不攜帶標準模型的核,卻可能有自己的核,有自己的內部相互作用。 它甚至可能長得和標準模型很像,也許有暗夸克、暗氫子、暗玻色子。 它們相互作用能形成暗質子,甚至暗原子。 當然,也可能和標準模型完全不一樣。 從暗物質在宇宙中的分佈來看,這個假想的暗領域沒有形成標準模型物質那樣的天體結構。 所以,大概率不會有暗行星,也不會有暗物質外星人,此刻正坐在你身邊。 大概沒有吧?真的沒有嗎?誰也說不準。 那研究暗領域有什麼用?用處大了。 暗領域的粒子可能很輕,它們的能量範圍早就落在LHC的探測能力之內了。 正因爲它們暗,LHC的探測器沒法直接看到它們,但我們能通過它們的影響發現它們的存在。 先搞懂LHC裏兩個質子對撞時到底發生了什麼。 你可以把質子想象成幾股量子廠緊緊擰成的一個結,每股線都有自己的內部編織結構。 對撞的瞬間,這些結會鬆開,之後它們會以不同的形式重新系上,但不是隨便怎麼系都可以。 結的部分結構解開或重新系上必須成對出線。 線的編織方式,也就是廠的對稱性,在重新繼承最終粒子的過程中會一直保持不變。 這就意味着守恆定律必須遵守,能量,動量,各種核都不能憑空消失或產生,內部的對稱性也必須被尊重。 暗領域的對稱性可能和標準模型看起來一樣,但它們的來源不同,是不同的編織方式。 這就會產生不同類型的核,這些核不會和標準模型的粒對化。 所以被撞碎的質子殘骸沒法直接製造出按粒子需要的材料,不是直接不行,而是有一條間接的路可以走。 如果質子對撞的某些碎片能沉降成標準模型裏最簡單的廠形態,也就是沒有複雜對稱性的形態,那麼這個粒子就有可能繼續衰變成暗領域的粒子。 這種量子廠編織中結最少的形態能重新細成任何符合其簡單對稱性的東西。 說得更專業一點,只有不帶任何標準模型核的廠形態,也就是所謂的單態才能和暗領域的量子廠耦合。 我們把這些形態叫做暗領域門戶,它們是能量在標準模型和暗領域之間唯一能流動的通道。 這樣的門戶特別少,比如光子和暗光子的混合,假想的惰性中微子,軸子的偶合,還有錫格斯廠的相互作用。 在這些門戶裏,錫格斯玻色子可能是最有希望的一個,我們已經知道它存在,也知道怎麼製造它。 更重要的是,它可能是最乾淨的暗領域門戶,錫格斯廠是標量廠,是最簡單的量子廠。 它很少被複雜對稱性束縛,還特別擅長和其他廠偶合。 這也是爲什麼錫格斯玻色子能和這麼多粒子偶合給它們賦予質量,所以我們有理由相信它也能和暗領域偶合。 重點來了,記好,錫格斯玻色子可以轉變成暗領域的粒子,怎麼探測到這一點待會再講,但就這一點已經足夠讓人興奮了。 雖然LHC沒造出多少新型粒子,但它絕對能製造出海量的錫格斯玻色子。 那麼問題來了,要透過錫格斯這扇門窺視暗領域,我們需要做什麼? 第一件事就是讓LHC發揮到極致,甚至更好。 要製造更多錫格斯玻色子,就得提高光束亮度,也就是每秒的對撞次數。 這和每次對撞的能量大小是完全不同的兩回事。 現在對撞機正關機升級,等到2030年再次開啓,新的高亮度LHC每秒能產生10倍以上的對撞。 在接下來十幾年的運行中,預計會產生大約3.8億個錫格斯玻色子,這比之前所有數據的總和還要多10倍。 但光造出這麼多錫格斯玻色子還不夠找到暗物質,我們還有一個致命的疏忽,扔掉了太多有趣的數據。 說實話,如果暗領域真的存在,我們可能早就把大量證據扔進垃圾桶了。 彆着急指責科學家,他們也是不得已。 當質子以99.999905%的光束對撞時,會產生一大堆亂七八糟的東西。 大多數時候都是些常見的標準模型粒子組合,連錫格斯玻色子的影子都沒有。 每秒大約6億次對撞,碰撞點周圍一層又一層的探測器環就像頻閃燈一樣閃個不停,而且大部分都是無聊的信號。 要從裏面找到有意思的物理跡象,比如錫格斯玻色子的衰變就像大海撈針,理論上給夠時間總能找到,但我們最缺的就是時間。 假設每次對撞只存一兆字節的數據,每秒就會產生一拍字節的數據,根本不可能把所有數據都存下來,以後慢慢翻看。 必須在極短時間內分解數據,扔掉噪音,存下有意思的信號,再用大海撈針打個比方,這就像每秒鐘都有一座針山劈頭蓋臉砸向你。 你得在一瞬間決定是低頭躲開,還是把它留下來細細檢查,躲開的那些就永遠消失了。 LHC的實驗靠一種叫觸發器的機制來分解數據,某一瞬間探測器的閃光,它們之間的關聯方式可能和某種有趣的物理現象匹配。 比如希格斯玻色子衰變產生的粒子,符合條件的數據就被保留,剩下的統統扔掉,這一切都在不到一秒內完成。 但這裏有個繞不開的問題,你怎麼確定觸發器的設置已經涵蓋了所有可能的有趣物理現象? 我們設好觸發器是爲了抓住所有的針,可萬一山裏藏着的是鑽石呢? 好了,比喻打住,我們來看探測希格斯玻色子的具體粒子。 LHC的探測器是分層建造的,有人說像洋蔥,但它是圓柱形的,更像根韭蔥。 細節很重要,每一層都爲了收集不同粒子的不同信息而優化,最內層探測帶電粒子在磁場中的彎曲軌跡。 外面是電子量能器,吸收電子,光子這類粒子,通過電子相互作用產生的能量。 再往外是強子量能器,捕捉所有由夸克和膠子構成的粒子。 最外層是子探測器,實驗裏,子在對撞機裏的信號特別乾淨,也特別容易識別。 我們能反推出子從產生到被探測到的整個飛行軌跡,還能算出產生子的那個粒子的質量和動量。 結合觸發器就能精細調整實驗設置,專門尋找希格斯玻色子的衰變。 因爲希格斯玻色子極其不穩定,剛誕生就會碎裂,飛不出多遠。 如果能重建衰變產物的軌跡,比如子的軌跡,就會發現這些軌跡都能回溯到質子對撞的那個點。 這種判斷衰變粒子軌跡起源點的方法是LHC實驗裏一個標準的篩選條件,能大量削減需要處理的數據。 現在,把暗領域放進這個圖景裏,問題就來了。 暗領域有很多種可能的樣子,爲了說清楚,我們就假設它是一個平行版本的標準模型。 裏面有暗夸克,暗青子,甚至暗光子,所有這些粒子都通過非標準模型的和相互作用,所以除了希格斯玻色子這樣的少數門戶,它們完全隱形。 如果暗領域真的存在,LHC裏產生的一些希格斯玻色子就會衰變成暗領域的粒子,比如希格斯玻色子可能衰變成一個暗夸克和一個反暗夸克。 這些暗夸克會做和普通夸克一樣的事,在暗領域內部強子化,形成暗質子,暗介子之類的粒子。 其中一些暗粒子是穩定的,會飛向宇宙,加入暗物質的行列。 但另一些暗領域粒子不穩定,它們會通過另一個暗門戶衰變回標準模型的粒子,比如衰變成暗光子,暗光子再變成普通光子,最後變成一對子。 這個過程聽起來很複雜,確實複雜,但複雜的地方只在於需要兩個門戶,一個進暗領域,一個出暗領域。 除此之外,這和普通粒子碰撞後的過程沒什麼區別,最終都會產生可探測的粒子,還能看出希格斯玻色子是它們的源頭。 對比一下兩種希格斯衰變的情況,你就知道問題出在哪了。 第一種,希格斯玻色子直接衰變成子,子的軌跡能直接回溯到質子對撞點。 第二種,中間經過了暗領域的粒子,就好像衰變鏈跑到暗世界轉了一圈,再跳回我們的世界。 這就導致最終探測到的子,它們的軌跡會回溯到一個點,這個點偏離了質子對撞的原點。 也許你已經看出問題了,如果我們因爲軌跡起源點不對就把探測事件扔掉,那所有涉及暗領域中介的案例都會被一併扔掉。 聽起來是壞消息,但好消息是這個問題理論上很容易解決。 2030年高亮度LHC上線時會同步升級觸發算法,首先要做的就是把那些起源點偏離的子納入數據偵查算法。 所謂數據偵查,就是先只記錄事件的最簡略信息,如果發現有研究價值,再決定存儲更詳細的數據。 對於偏離原點的子來說,要是這類信號很強,就會觸發記錄更詳細的信息,專門記錄那些不是起源於對撞點的子數據。 我們什麼時候能找到暗領域的證據,這要看暗領域的未知屬性。 如果偶合強度適中,衰變率也合適,高亮度LHC重啓後一年內就可能出現明顯的偏離原點子信號。 但如果偶合很弱或者衰變率不湊巧,可能就要等上好幾年。 就算探測到了,還有更多工作要做,得證明這些偏離原點的粒子確實來自暗領域的中介。 比如中介粒子的質量分佈,衰變時間,還有其他各種性質,都得符合合理的理論模型。 可一旦這些條件都對上,我們就會得到暗物質的最佳解決方案。 這可是整個物理學中最頑固的謎題之一。 而我們要做的,只是把一直在做的事情,做得再好一點點,再聰明一點點,也就是觀察希格斯玻色子的爆發。 但現在,這些爆發攜帶着暗領域的回升,在時空中留下了偏離原點的印記。