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大型强子对撞机的全新可能性
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应用概率来呈现科学结果与量子力学的内在概率性，两者都不代表我们什么都不知道。事实恰恰相反，我们知道很多。例如，电子磁矩（magnetic moment）是电子的一个内禀属性，我们可以用量子场论来进行极其精确的计算。量子场论结合了量子力学和狭义相对论，是一个研究基本粒子物理属性的工具。我在哈佛大学的同事、物理学家杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）已经测量了电子磁矩，精确到小数点后13位，并且该值与理论预测值在这个水平上是吻合的。不确定性在万亿分之一的水平上才参与进来。这使得电子磁矩作为一个自然参数在理论与测量之间有着最精确的吻合。
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物理学之外，没有谁能如此准确地预测这个世界。但是绝大多数人一旦有这样精确的数字，就会认为自己确切地知道理论与它预言的现象。科学家虽然比其他人能够给出更准确的论断，他们还是认为测量与观察的精确度不管多高，都始终为现今未知的现象与新观点留下了空间。
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他们也可以给新现象的尺度设定一个确定的极限。新的假设可能改变预测，但只能发生在目前测量的不确定性或更小的水平上。有时预测的新效应是如此微小，以至于在宇宙的一生中我们都无法指望与之相逢。在这种情形下，甚至连科学家都可能断言说“这件事不会发生”。
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显然，加布里埃尔斯的测量显示，量子场论在一个很高的精度上是正确的。即便如此，我们也不能断定量子场论、粒子物理学或者标准模型就是所有理论了。正如第1章所阐述，新现象的效应只能在不同能标时显现，或者当我们能做更精确测量时暗含在我们所看到的东西里。我们还没有从实验上研究该能量和尺度的范围，因此我们现在还不得而知。
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大型强子对撞机实验在前所未有的高能标上进行，因此它提供了新的可能性。实验探求的新粒子与相互作用很直接，而不是那种需要用极端精确的测量来确认的间接效应。在所有可能性中，大型强子对撞机的测量不会达到足够高的能量来发现离开量子场论的偏差。但是它们可能展示其他现象，预测出与现今精度水平上的标准模型所预言的测量相偏离的结果（甚至是现在测得很准的电子磁矩）。
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对于任何标准模型之外的物理模型，任何预测的小差异都是真实世界基本属性的一大线索。到目前为止还没有出现这些差异以告诉我们需要发现新事物的精度和能量水平，即便我们不知道潜在新现象的精确属性。
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在开篇所介绍的有效理论是指，我们仅仅全面了解我们所学习的是什么，以及在哪一个点上它们失效的极限。有效理论整合了现有的约束——不仅在给定的尺度上归类我们的想法，而且提供了系统的方法来确定新效应在特定能量上有多大。
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关于电磁相互作用力和弱相互作用力的测量与标准模型的预言在0.1%的精度上吻合。粒子碰撞速度、质量、衰变率，以及其他性质也都在这个精确度和准确度上相吻合。标准模型为新发现留下了空间，它们必须小到足以避开现今的探测。新现象或者暗含的理论效应必须小到目前还不能看见，或是因为相互作用本身很小，或是因为效应所伴随的粒子太重，以现在的反应能量还不足以产生它们。现有的测量告诉我们在多高的能量上能发现新粒子或者新的相互作用，同时在当前不确定性允许的条件下不造成对测量的更大偏差。这些测量也告诉我们新事物是多么少见。但随着测量精度变得足够高，或者实验发生在不同的物理条件下，实验物理学家就可以搜寻模型的偏差，虽然该模型迄今为止描述了所有实验粒子物理学的结果。
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当今的实验基于一个通识：新想法都建立在一个成功应用于低能量的有效理论基础上。这些实验的目标都是为了揭示新物质与新的相互作用，并牢记物理是按一个又一个能标建构知识的。通过研究大型强子对撞机的更高能标，我们希望发现并完全理解到目前为止我们所见事物的背后理论 。在测量新现象以前，大型强子对撞机数据将为我们提供宝贵、严格的约束，限制标准模型之外可能存在的现象和理论。如果我们的理论考虑是正确的，那么新现象最终会在大型强子对撞机现在所研究的高能区域中出现。这样的发现迫使我们推广或者将标准模型纳入一个更复杂的理论体系中。这个更全面的模型将在一个更大的能量尺度上更准确地与实验符合。
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我们不知道哪个理论会在自然中实现，也不知道何时才能给出新发现。答案依赖于有什么，并且我们还不知道它是什么或者我们应该看什么。对于任何有关何种新事物存在的特定设想，我们知道如何从实验结果中发现、如何计算以及估计它何时可能发生。在后文中，我们将探讨大型强子对撞机的实验如何工作、实验可能会发现什么。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950068]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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2007年8月，西班牙物理学家和欧洲核子研究中心理论组组长路易斯·阿瓦瑞智·高密热情地鼓励我加入一次参观超环面仪器（ATLAS）实验的旅程。并且，物理学家彼得·詹尼（Peter Jenni）与法比奥拉·贾诺蒂（Fabiola Gianotti）还计划拜访诺贝尔奖获得者李政道以及其他几位物理学家。想要抗拒彼得与法比奥拉满怀感染力的热情几乎是不可能的。他们当时乃是超环面仪器实验的发言人与副发言人。他们所有的话，字里行间都充满了对实验细节的专业与熟稔。
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我和同行的参观者戴上安全帽进入了大型强子对撞机的隧道。我们的第一站是一个可以向下俯视到一个深井的平台（见图13-1）。这个巨大的洞穴有竖直的管道可以将探测器从我们所站的地方输送到100米以下的地面。我们几个参观者都热切地期盼一睹其真容。
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第一站以后，我们继续走到下面的地板上，那里堆放着还没有安装好的超环面仪器探测器。没完工最妙的事情就是你可以看到探测器的内部。一旦最终封闭就什么都看不见了，只有在大型强子对撞机停止实验的检修维护期间，才可能再次看见其内部结构。所以我们才有这样一个机会可以直接观看这个精密工程，它是那么色彩斑斓又庞大无比，甚至比巴黎圣母院大教堂的中殿还大。
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图13-1 从平台向下俯瞰超环面仪器的深井，视线中的管道可以将材料输送下去。
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但是最宏伟的不仅仅是超环面仪器的规模。我们当中来自纽约或者其他大城市的人不会仅仅因为一个庞大的建筑而感到震撼。超环面仪器真正雄伟壮观的是：如此巨大的一个探测器竟然是由许许多多小的探测元件组成的。有些元件设计成可以测量到微米量级的精度。最具讽刺意味的事情正体现于此：我们需要用如此庞大的实验装置来测量如此微小的距离。当我展示一张来自报告会的探测器的照片时，我不得不强调说超环面仪器不仅巨大而且构造精密。这是它最神奇的地方。
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2008年，我又重返欧洲核子研究中心并再次目睹了超环面仪器的工程进展状况。2007年时探测器的两端还开放参观，这时已经封闭。我又踏上了一次参观紧凑μ子线圈（CMS）的壮观旅途。紧凑μ子线圈是大型强子对撞机的第二个通用型探测器。这次同行的还有物理学家辛西娅·达维亚（Cinzia da Via）和我的合作者吉拉德·佩雷斯（Gilad Perez，即图13-2中的男子）。
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