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日本东京大学的寺师弘二博士在欧洲核子研究中心率领着一个寻找额外维度的研究团队。他认为，在日积月累的庞大的LHC实验数据中也许已经隐藏着额外维度的存在证据。“现在是一个或许能见证物理学巨大变革的令人激动的时期”，寺师博士对此充满了期待。寻找额外维度的实验究竟是什么样的？发现额外维度的可能性到底有多大？针对这些问题，Newton采访了寺师博士。

图1. 寺师弘二

1973年出生于日本冈山县，理学博士，研究领域为基本粒子物理学（实验），致力于通过LHC的ATLAS实验来发现超越标准理论的现象和新粒子。在ATLAS实验中，担任整个新物理探索团队的协调人。现任日本东京大学基本粒子物理国际研究中心助教。

汇集全世界的研究人员，共同探索新物理

Newton：您在欧洲核子研究机构从事什么研究？

寺师：从事包括额外维度在内的“新物理”研究。新物理是指超越标准理论的物理。我们正在尝试建立一个能够解释标准理论无法解释的现象的新理论，额外维度是其中之一。

我们利用LHC的ATLAS实验设备，使得带有巨大能量的质子相撞，并从中寻找新的粒子或现象，同时也在寻找这些新现象中是否有额外维度存在的证据。

Newton：就是说，您属于额外维度的研究小组？

寺师：其实，并没有专门研究额外维度的小组。从事新物理研究的小组共有两个，一个是寻找额外维度的“奇异物质”小组，另一个是研究超对称的小组。我是奇异物质小组的协调人。

奇异物质小组以探测器信号的观测方法为中心，又分为5个分组，每个分组由几十个分析团队组成，每个分析团队由几人到几十人组成，整个奇异物质小组大概有400人。

小组成员从博士生到教授，层次各不相同。我是常驻核子研究中心的，但是，许多研究人员平时都是在各自的大学等研究机构从事研究的。

Newton：真是一个国际性的组织呀。

寺师：是的，小组聚集了全世界的研究人员，虽然文化和语言各不相同，但是大家有一个共同的目标，那就是探索新物理，所以，大家合作得非常好，几乎感觉不到国家差异。

不过，由于大家在地理位置上离得非常远，有时候感觉很艰难。例如，欧洲核子研究中心在瑞士，当我们与世界各地的同事召开电视会议时，必定有的人处于深夜，这是没有办法的事情，只能忍耐了。

寻找额外维度应该生成的粒子

Newton：如何利用LHC寻找额外维度存在的证据呢？

寺师：从实验上验证存在额外维度的方法主要有两种，一种是立教大学的村田教授所做的实验，即直接测定近距离的引力强度。

另一种方法是利用LHC做实验，与其说是测量引力的强度，倒不如说是调查粒子在高维空间相撞时怎样才能观测到。例如，假设存在额外维度，空间是4维的，那么，当质子与质子高速相撞时，物理定律将会发生改变，生成在3维空间无法生成的新粒子。

也就是说，“利用加速器寻找额外维度”其实就是“寻找未知的新粒子和新现象”。

Newton：如果存在额外维度的话，会生成什么样的粒子呢？

寺师：例如，有可能在形成微型黑洞后，黑洞马上“蒸发”，生成大量的粒子。可能会生成非常重的粒子，而且粒子很快就“蒸发”掉，也可能会生成并不太重而且数量较少的粒子。此外，也有可能生成在探测器中几乎没有留下什么信号的粒子。

也就是说，如果存在额外维度的话，就会生成新的粒子，新粒子的观测方法也有多种模式。因此，要根据各种反应的类型来考虑新粒子会在探测器中留下什么样的信号，或是根本没有留下信号。每天，我们都在分析质子相撞的数据，并在不断寻找这样的信号。

图2. 黑洞形成的模拟图

图片是LHC的ATLAS生成黑洞时的模拟图。来自前方和后方的质子在中心部位相撞。形成黑洞后，黑洞马上就会“蒸发”，生成各种粒子四处飞散。周围安装的各种探测器可以记录粒子的种类和飞散的方向等信息。图片右侧的女性是为了比较装置的大小而画上去的。

Newton：如果出现了在额外维度中才会有的现象的话，通过探测器的数据马上就能识别出来吗？

寺师：我想，通过观测数据很快就能识别出来看似额外维度的征兆。例如，如果形成了黑洞的话，探测器中就会留下非常特殊的信号。不过，要想证实这个信号是因为形成了黑洞才生成的，则需要进行详细分析。

如果存在额外维度的话，有可能会生成传递引力的基本粒子——引力子，这时也会出现非常特殊的信号。

研究认为，就算在LHC实验中生成了引力子，它也不会在探测器中留下任何痕迹，而是“飞逝而过”。不过，在生成和飞出引力子方向的相反方向上则会生成一些新的粒子，这些粒子可能会在探测器中留下一些痕迹。通常情况下，粒子相撞后会向两个方向飞出，但是，引力子只能在一个方向看到信号，另一个方向则没有留下任何“蛛丝马迹”，是不平衡的。

从概率上来说，这种现象非常少见，所以，如果持续出现这种现象的话，这很可能是引力子。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）