互动科普

“突然”出现的特殊信号

Newton：什么样的数据才能成为“存在额外维度”的证据呢？

寺师：众所周知，源自额外维度的现象出现的概率非常非常低，也就是说，必须让质子相撞很多很多次，才有可能出现涉及到额外维度的现象。

例如，由于希格斯粒子相对较轻，所以，质子相撞后容易形成希格斯粒子，当然也会形成大量其他较轻的粒子，背景数据将增多。希格斯粒子很容易被“淹没”在庞大的背景数据中。

另外，科学家目前正在寻找的来自额外空间的新粒子可能是非常重的粒子或不容易生成的粒子，所以至今尚未发现它的踪迹。我们必须有耐性，沉得住气，锲而不舍地让质子一次又一次地相撞，也许新粒子会在某一瞬间突然现身，露出庐山真面目呢。

Newton：突然出现吗？

寺师：是的，如果出现了黑洞等特殊现象，并生成了重粒子的话，那么，在几乎没有背景的地方，只有特殊信号突然冒出来，而且信号应该比发现希格斯粒子时更清晰。当然，这并非说发现了特殊信号就意味着这是来自额外维度的，还需要仔细确认。

经过停机维护后，LHC的能量获得提升，产生重粒子的概率也得以大幅度提高。也就是说，迄今为止从未出现过的粒子突然“现身”的几率大大提高了。大量重复实验，积累数据的话，那个突然冒出的部分就会不断长大，慢慢变得清晰起来。这样的话，在没有背景的地方，特殊信号不断增大的话，我们就能断定：这里一定出现了什么东西。

Newton：如果每天都有看似额外维度存在证据的迹象的话，肯定令人激动。

寺师：对从事这项实验的人来说，这是最幸福的事情，感觉我们就是为了体验这种幸福而存在的。现在是一个非常激动人心的时期，这种事情很可能会真的出现。我们每天都在孜孜不倦地努力做实验，以免错过宝贵的信号。

图：希格斯粒子的证据

上图显示了LHC的ATLAS寻找希格斯粒子的结果。纵轴是质子相撞的次数，横轴是相撞时所产生的粒子质量（换算为GeV，十亿电子伏特）。在126～127GeV附近有略微突出的部分（顶点，见箭头）。这是在实验中生成了质量约126.8GeV的希格斯粒子的证据。如果存在额外维度的话，探测的特殊信号会比上图中希格斯粒子的顶点更明显地“突然”出现。

从理论和实验两方面，对额外维度“穷追不舍”

Newton：形形色色的理论都预言存在额外维度。您是根据理论设定预期目标，然后再收集数据并进行分析的吗？

寺师：当然要参考理论了，不过，我并不依赖某一个特定的理论。如果只对某个理论所预言的信号进行观察和分析的话，有时会忽略掉其他重要的信号。

Newton：从事理论研究的人什么时候相互讨论呢？

寺师：一般来说，在数据分析结束后，结果出来的时候，大家会对这些数据进行解释，并讨论今后要对什么进行分析。

如果我们对理论研究人员所预测的范围进行调查，结果一无所获的话，就会把这个结果反馈给理论研究人员，理论研究人员就会考虑另外的理论。其实，从事理论研究和从事实验研究的人是一体的，大家共同合作，一个一个地排除所谓的可能性。

当预言存在额外维度的各种理论的可能性被不断排除，最后剩下的那个理论应该就是“正确答案”了。当然，也有可能所有的理论都被排除，一个理论也没有剩下，得出“不存在额外维度”的结论。我相信不会出现这种情况，因此才在积极寻找额外维度的存在迹象。

今后10年将是LHC最激动人心的时期

Newton：寻找额外维度存在证据的研究现在进展到了什么阶段？

寺师：LHC实验还没有找到任何显示存在额外维度的证据。不过，现在LHC的能量提升了，我们正在对能想到的可能性一个一个地进行验证，找到额外维度的可能性在不断提高。

尽管我们现在还不清楚会形成黑洞还是其他形式的东西，但是，我觉得什么时候发现特殊信号都不足为奇。

Newton：真的越来越接近于找到额外维度存在的证据吗？

寺师：是的，现在正处于收集数据的关键阶段，每天都积累了大量的数据，说不定现在的某一瞬间就会出现源自额外维度的现象。如今，LHC已经把能量提升到了接近上限，额外维度或许已经离我们很近，就在我们伸手可及的范围内呢。

Newton：您预期什么时候会有成果呢？

寺师：现有的LHC实验将持续到2018年底，之后包括维护在内，实验周期将持续到2023年，所以在运行期间获取的数据量会非常庞大。到那时，现有理论所提出的，例如额外维度、超对称粒子等方面的数据也将相当多。我想，如果在LHC能量所能看到的范围内存在额外维度的话，它被发现的可能性就非常大。

反过来说，如果依靠这些数据还不能发现额外维度的话，今后必须积累更多新数据，否则很难发现新的现象。提升能量对加速器实验发现新现象来说非常重要，如果能量升级后的LHC无任何新发现的话，那么，在今后的几十年里，继续积累大量数据则变得至关重要。LHC在不断推进这方面的计划。

Newton：还要等很长时间才会有结果吧。

寺师：从事科研，很少能遇到这么激动人心的时期。我个人认为，包括额外维度和其他研究课题在内，今后10年将是LHC最有意义的黄金时期。从现在开始也不算晚，我特别希望不断有年轻人走上基本粒子物理学的研究之路。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）