欧洲大型强子对撞机，成功和失望
编者按
从还原论的观点看，物理学在所有自然科学中处于基础性的地位。上个世纪，物理学发生了翻天覆地的变化，让我们对自然的认识深入到更微小的时空层次，上升到更高的能量尺度。与此同时，物理学的社会学特征也表现得更为明显：物理学家的个人背景所体现出的研究风格、物理研究的组织形式的变化、物理学成果对于国际政治和人类生活的影响、社会思潮向物理学的微妙渗透等等，都可成为科学社会学的研究内容，也为科学发展提供了一种人文观照。
在物理学众多分支当中，恐怕没有哪个分支像粒子物理那样离我们的日常生活如此遥远，而又表现出上述提到的、如此突出的社会学特征。比如，缺乏实证使得许多理论粒子物理学家从哲学和美学视角探寻方向，这些视角形成的思潮甚至有成为凌驾于科学之上的“宗教信仰”之虞。在有限资源条件下的研究群体的扩大，使得关注方向也越来越同一化，内容越来越趋于保守单一。比如对美的追求吸引了很多物理学家研究一种全新的对称性——超对称。超对称的确是一个非常迷人的数学结构。通过它，物理学家得出了很多漂亮的数学结果。以追求美为导向的思想，已主导了一些理论物理研究的领域。这很不同于以前以解释实验、观察解释自然现象为导向的物理研究。这一取向也引导越来越多的像Hossenfelder这样的物理学家深入探讨科学研究的方法论基础。
此外，研究经费的投入与分配约束也使得用于粒子物理研究的大科学装置的建设势必遭遇更多拷问，不同群体之间出现利益的博弈。这使得高能物理的实验观测越来越不容易。上一个大装置，大型强子对撞机（LHC）直接观察到了希格斯玻色子，可以说是一个重大成果。可另一方面，希格斯玻色子早已被先前的很多低能实验间接发现，这次直接验证虽然重要，可大家更期待发现一些全新的现象，像超对称、全新的粒子（其可能对应于暗物质）。其实发现超对称和全新的粒子，是当时建造LHC的重要动机。本文回顾了当时的一些讨论。可LHC在这一方面令人失望。除进一步确定了描写基本粒子的标准模型的正确性之外，至今没有发现新的东西。这使得一些人开始进行反思。
Hossenfelder的新书Lost in Math对物理学各分支，特别是粒子物理学的上述社会学特征作了鞭辟入里的探讨。此书也引发了物理学群体的广泛讨论。本文乃是Hossenfelder的一篇博文，由之可以稍窥Lost in Math一书之主旨以及物理学社会化之一斑。
最后我们要说明，所谓的超对称理论并不是说基本粒子有超对称。所有物理学家都知道而且认同，我们世界中的基本粒子并没有超对称。所谓超对称理论只是预言基本粒子可能有近似的超对称，所以我们要引入一个超对称破缺能量尺度来描写这个近似的超对称有多好。能量越小，近似的超对称就越好。目前的LHC实验仅仅是排除了比较好的超对称（超对称破缺能量尺度小于LHC能量的超对称）。但比较差的超对称并没有被排除，这需要更大的加速器来探测。要知道近似超对称是为了解决基本粒子标准模型的一个毛病——缺乏自然性——而引入的。如果超对称太差，将无助于解决这个毛病。但如果超对称破缺能量尺度只比LHC能量大一点，对解决自然性这个问题还是有帮助的。
最后需要指出的是，虽然近似超对称还没有被LHC发现，它还是一个没有实现的预言，但严格的超对称也许会在其它一些想不到的领域，如凝聚态物理之中被发现。这种有心栽花花不开，无心插柳柳成荫的现象，在科学中还是常常出现的。历史上，物理有很多盛宴。老的盛宴一个个结束，但新的盛宴一个个到来。这是物理发展的自然规律。
撰文 | Hossenfelder（德国法兰克福高级研究所研究员）
翻译 | Lineker
校对 | 崔齐
编辑 | 崔齐
前一段时间，大型强子对撞机（Large Hadron Collider，以下简称LHC）完成了第二轮实验运转，眼下它正在按计划进行升级以实现更高能量。在更高的能量状态下，研究人员将可以收集到更多的数据。然而到目前为止，除了希格斯玻色子外，LHC尚未发现任何新的基本粒子。
也可能在未来采集到的数据里，某种新粒子终能露面。但目前粒子物理学家表现得非常紧张。情况看起来不太妙——除了若干不具有统计显著性的异常信号外，尚无证据表明碰撞产生了异乎寻常的新东西。并且，如果LHC一无所获，那么下一代更大型的对撞机能否有所发现就更难猜测。
LHC只发现了希格斯子，此外什么都没找到。这一结果被称为“噩梦般的场景”实是事出有因。三十年来，粒子物理学家一直告诉我们说，LHC肯定会找到除希格斯子以外的一些东西，一些令人激动的东西，诸如暗物质粒子、额外空间维度，或是某种新的对称性，一些足以证明标准模型尚不完备的新发现。但这一幕并未发生。
所有那些围绕着新物理展开的预测，都是建立在基于自然性的论证之上。在我的书（指Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray）中，我曾解释说，自然性论证在数学上并不合理，我们不该将其奉为圭臬。
粒子物理学家现在面临的问题在于，自然性是使其认为LHC应当发现新物理的唯一理由。这也正是为什么他们会感到紧张的原因。若是少了自然性，那么即便是认为在比LHC的能量更高的层级上存在新物理也缺乏论证基础。（除非直到比现在LHC的能量高出15个数量级，彼时时空的量子化结构才会变得显著起来。不过，如此巨大的能量在可预见的未来都难以企及。）
粒子物理学家们对上述形势作何反应呢？大部分人视若无睹。
一些人依旧寄希望于数据里最终会冒出点新东西，或许自然性只是比我们原先设想的要更复杂一些。另一些人则已经针对为什么下一代更大型的对撞机会找到新粒子的问题，预先制造好了论据。还有些研究者则只是还没有意识到自己已在悬崖边踏空。例如，最近的一篇关于“LHC上超越标准模型的物理学”的报告依旧重申“自然性是期待新物理的主要动机。”
抛开其应对策略不谈，很多粒子物理学家现在可能反倒希望自己从来没有做过那些预测。因此，我觉得现在正是看看哪些人说了些什么话的绝佳时候。
在摘引之前，先行介绍一些专业术语：电子伏特（eV）是能量的一种量度。粒子对撞机按其可试验的能量进行分类。更高的能量意味着碰撞可解析出更小的结构。LHC的能量将会达到14太电子伏特（TeV）。“电弱尺度”或“电弱能量”通常是指大致对应Z玻色子质量（约为100吉电子伏特（GeV））上下的能量，即在比LHC的能量低100倍的量级上。
另外需要注意的是，尽管LHC可达到14 TeV的能量，但它是使质子对撞，质子并非基本粒子，而是由夸克和胶子构成的复合粒子。因而，总碰撞能量要在这些组元粒子之间进行分配，这意味着新粒子的质量上限小于碰撞能。这些质量上限的好坏取决于预期的相互作用的数量和收集的数据量。当前的上限通常为几个TeV，随着越来越多的数据被分析出来，质量上限也会随之提高。
解释了这些以后，让我们先从Barbieri和Giudice 1987年的论断开始：
“这一‘自然性’判据的采用使得超粒子质量的物理上限在TeV范围。”
1994年，Anderson和Castano写道：
“在最自然的情形下，很多超粒子，如超荷子、超夸克和超胶子，其质量都处于LEP II（编注：Large Electron-Positron Collider，建造于CERN，于1989-2000年间服役，2001年停用后利用其27 km周长的隧道建设了LHC）或Tevatron（编注：隶属于费米实验室，在LHC启用以前，它一直是世界上能量最强的粒子对撞机）可达到的能量范围内。”
以及
“如果超夸克和超胶子具有高于LHC的物理极限的质量，那么超对称性将无法提供弱尺度稳定性的完整解释。”
LEP指的是大型正负电子对撞机，LEP1和LEP2是说大型正负电子对撞机的两次实验运行。1995年，Dimopoulous和Giudice又发表了类似的言论：
“如果最小限度的低能超对称性能够以不高于10%的微调来描述世界，那么LEP2发现超对称性的几率就非常高。”
1997年，Erich Poppitz写道：
“未来十年，随着LHC的出现，我们终将会找到下面问题的答案，即‘超对称性与电弱尺度的物理相关吗？’”
1998年，Louis、Brunner和Huber表达了同样的意见：
“只要超对称粒子的质量不比1 TeV高太多，那么这些模型就为自然性问题提供了解答。”
这被认为是个容易完成的发现，正如Frank Paige在1998年所写的：
“在预期的质量范围发现超胶子和超夸克似乎非常直接，因为碰撞率巨大，信号很容易就可以从标准模型的背景中被分离出来。”
1998年，Giudice和Rattazzi又强调自然性是其相信超出标准模型之外的物理存在的原因：
“自然性（或者层级）问题，被认为是在高于TeV的能量尺度上弥补描述基本粒子相互作用时标准模型有效性的最严肃的理论论证。从这一点来看，它可以被视为将实验研究推向更高能量的终极动机。”
他们继而赞美了超对称性的美：
“超对称性提供了一套解决自然性问题的优雅方案……”
有趣的是，在1999年，Alessandro Strumia总结说LEP的结果非常不利于超对称性理论：
“最近寻找围绕着超对称性粒子研究所爆出的负面结果，给所有‘常规’的超对称性模型提出了自然性的问题。”
在其论文中，他反复强调自己的结论仅适用于某些超对称性模型。这话当然是对的。超对称性的美就在于它尽可以随意调适，从而规避所有的约束。
大多数粒子物理学家完全不受LEP的负结果的影响。他们只是将其预言投向了下一代更大型的对撞机，先是Tevatron，再是LHC。
2000年，Feng、Matchev和Moroi写道：
“这一切强化了一种普遍的乐观情绪，即在Tevatron、LHC或NLC上进行的下一轮对撞实验，肯定能发现所有的超伴子，如果它们存在的话。”
（NLC即Next Linear Collider，是21世纪初提出的一个大科学计划，现在已经被放弃。）他们也重申了在LHC上应该不难发现超对称性的观点：
“相比超费米子，在上述情形中超规范子和超希格斯粒子的质量都不可能非常大。例如……超规范子将会在LHC上大量产生，在通常的条件下下即可被发现。”
2004年，Stuart Raby试图说明自然性论证已经陷入困境：
“简单的‘自然性’论证会让人误以为超对称性应该已经被观测到了。”
当然，这不过是考虑并非如此简单的自然性论证的理由。
同年，Fabiola Gianotti对LHC大唱赞歌（我标出了重点）：
“上述自然性论证打开了通往新的且更基本的物理学的大门。现如今，围绕着超越标准模型的物理学存在若干候选理论，包括超对称(SUSY)、艺彩（Technicolour）以及具有额外维的理论。所有这些理论都预测了稳定希格斯粒子质量所要求的TeV能级区的新粒子。我们注意到，在当下的粒子物理学领域，就关注度而言，没有哪个能量尺度能与TeV尺度相媲美，这为类似于LHC这样的可直接且细致地去探索这一能量范围的加速器的建造提供了强烈的动机。”
她赞美超对称性“非常具有吸引力”，同时也告诉我们，超对称性会很容易也会很快被发现：
“在LHC上发现超对称性会相当简单和迅速……只要经过一个月的数据采集，我们就能找到质量为1 TeV的超夸克和超胶子……超夸克和超胶子的质量上限约为3 TeV。因此，考虑到上面所提到的与稳定希格斯粒子质量相关联的论据，如果我们在LHC上一无所获，那么TeV能级的超对称性将最有可能被排除在外。”
虽然还可以继续列举，但我觉得以上摘录足以说明，几乎所有人都认为LHC应当发现除希格斯粒子以外的新物理，而且他们都抱着相同的理由，即所谓的自然性。
总而言之，既然基于自然性的预测并没有取得成功，我们就没有理由认为，LHC的继续运转或者建造更大的粒子对撞机会发现无法用粒子物理标准模型来解释的新物理现象。更为大型的对撞机可以更加精确地测量已知粒子的性质，但这肯定不是什么令人激动的事情。对于一台造价动辄百亿美元甚至更多的机器来说，这点回报着实有些说不过去。因而，很有可能LHC将一直是人类史上最大的粒子对撞机。
本文经授权摘译自https://backreaction.blogspot.com/search?q=+how+the+LHC，仅供学术交流讨论之用。
Lost in Math书评
撰文 | Anil Ananthaswamy
在Lost in Math一书中，Hossenfelder指出了粒子物理实验数据的匮乏。随着建造探索更高能量和更小尺度的机器所需成本的攀升，这种状况会进一步恶化。鉴于此，她担心太多理论家会利用数学论据和主观审美来判断物理理论的有效性。
Hossenfelder质疑了对于自然性的渴望，自然性观点认为理论不应凭空构造，也不应含有必须通过微调来符合观测结果的参数。
Hossenfelder解释说，在涵盖理论物理学家所珍视的所有东西（对称性、自然性、统一性和意想不到的洞察力）方面，超对称性已经成为了“生物学家恰如其分地名之为‘超级激励’的东西，也即一种人为的但却无法抗拒的触发器”。
Lost in Math一书充满了自省意识，内容颇为犀利，并且提出了大胆的问题。Hossenfelder推特的粉丝以及她个人博客Backreaction的读者都能辨识出她那种不受拘束的风格。但并非所有物理学家都与其观点一致。在实验数据缺失的情况下提出理论的做法并不新鲜，而且也收到了成效。举例来说，在上世纪60年代早期，物理学家Murray Gell-Mann就曾利用对称性来完善标准模型，并预言了他命名为夸克的粒子的存在。其运用的数学被证明是正确的，最终他因为这一工作获得了1969年的诺贝尔物理学奖。在诺奖晚宴上中他说道：“在研究粒子和宇宙过程中揭示的自然基本规律的美，堪与纯净的瑞典湖泊中凫水的秋沙鸭的轻盈优雅相媲美。”
Hossenfelder对这种观点表示认可，但同时她也对那些试图通过坚守自然必须永保美丽来打破当前物理学所陷入的僵局的研究者发起了挑战。她承认，“抱怨美学倾向”并不会消除物理学所遇到的那些令人气馁的难题，但有几条基本法则我们不能遗忘：首先要确保提出真正的问题，即从理论和数据之间已有矛盾中所出现的问题；其次是明确假设（譬如对自然性或简洁性的渴望）；以及利用实证证据来选择合适的处理该物理问题的数学工具。上述几条法则便是Hossenfelder提供的罗盘指针，以使我们在不管多么美丽的数学丛林中都不至于迷失方向。
本书评摘译自 Beauty, proof and the crisis in physics, NATURE VOL 558
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