比如电子的异常磁矩,理论家们用标准模型算出的理论值,与实验物理学家测出的实际值,竟然完美吻合到了小数点后十二位!这是什么概念?这相当于你测量从地球到月球的距离,误差竟然不超过一根头发丝的宽度!
如今的标准模型,就象是一座密不透风的堡垒。
于是,现代高能物理的数据分析,沦为了一种“验证式”的苦力活。
如今的物理学,理论物理学家们负责天马行空,在黑板上用优美的拓扑数学预言了某种新粒子的质量区间、寿命和衰变路径;然后实验团队就象苦逼的质检员一样,一头扎进几十PB的数据海里,去进行数据比对,找到这种被理论家随手画在黑板上的幽灵粒子存在的证据。
这种验证式分析最内核的操作流程,被物理学家们戏称为“查找小土包”,也就是查找不变质量的特征峰。
为了搞懂这个操作,徐辰详细拆解了2012年发现“上帝粒子”希格斯玻色子的那篇诺奖级论文。
……
在普通人的想象中,发现粒子可能就象是用显微镜看到了一个发光的小球,这个小球就是那个粒子。
但没有任何显微镜能够直接看到粒子,要证明这些基本粒子的存在,只能用间接的证据。
CERN的探测器会记录数据文档,但探测器内部并没有摄象头,只有数以万计的硅微条和透明的钨酸铅晶体。粒子穿过这些材料时引发的微弱电离和闪铄光,会被转化为一串串十六进位电信号。
这些文档里,记录着每一次粒子碰撞后,探测器捕捉到的所有次级粒子的“四动量”,即粒子的总能量,以及它在三维空间x、y、z三个空间方向上的动量分量。
物理学家首先要写出冗长复杂的代码,将这些底层信号转化为粒子的能量和动量。
接着,最关键的一步来了。
因为希格斯
?这是一个令人绝望的时间尺度。在这个时间里,哪怕是宇宙中速度最快的光,也连一个原子核的直径都飞不出去!
所以,探测器根本抓不到希格斯粒子本人,只能抓到它“死后”留下的这两个光子。
于是,分析人员会在海量数据中,把所有包含“双光子”的碰撞事件挑出来,然后套用爱因斯坦狭义
这是爱因斯坦留给后人的最强外挂。把测得的两个光子的总能量和总动量代入进去,进行逆向推算。
算出来的这个M,就是它们衰变前的“母粒子”的静止质量,物理学上称之为“不变质量”。
……
最后,把几千万次对撞算出的“不变质量”数值,全部投影到一张坐标图上。
这张图的横坐标,是推算出的双光子系统“不变质量”,单位通常是吉电子伏特,GeV;纵坐标,则是该质量数值在海量碰撞中被探测器记录下来的“事件次数”,即频次。
然而,在真实的对撞机中,并非只有希格斯粒子衰变才会产生光子。在质子与质子之间暴力的对撞中,还会产生海量毫无新意的普通光子。
用物理学家的话说:“LHC是一台强子对撞机,拿两个质子相撞,就象是拿两块精密的瑞士手表互相猛砸。你确实能砸出里面隐藏的齿轮,也就是新粒子。但绝大多数时候,你砸出来的只是一堆毫无意义的玻璃渣和金属碎屑,代表的是普通夸克和胶子的碎裂。”
这些海量的玻璃渣代表的干扰信号,就是令所有物理学家头疼的“本底噪声”。
……
这种噪声的本质,来源于两束质子内部的夸克和胶子。当它们发生随机碰撞时,会象两块打火石剧烈摩擦溅出的火花一样,直接“辐射”出两个光子。
要知道,在质子内部,绝大多数夸克和胶子只携带了质子总能量的极小一部分。想要撞出极高能量的光子,就必须要求两个恰好携带了巨大动量的夸克,以完美的角度迎头相撞,并且把所有的动能毫无保留地转化为两个光子。
这就好比随手抓起两把沙子互相猛砸,想要恰好砸出两颗耀眼的巨大火星。你想要的火星越亮(即光子能量越高),这种极端巧合发生的概率就会呈指数级、甚至是断崖式地下跌!
因此,如果探测器抓到的这两个光子仅仅只是普通的量子力学背景产物,那么根据大数定律和统计学规律,这些海量事件的质量分布,必然会在坐标图上呈现为一条干净、平滑且单调递减的本底噪声曲线。
……
但如果真的存在希格斯粒子,情况就完全不同了。
在它的固有质量点大约125 GeV附近,由于大量真实希格斯粒子的集中衰变贡献,这条原本平滑的衰减