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我近来的许多工作都涉及新模型的思考，以及新的或者更细致的搜索策略——如若不然将会错过新现象。我思考自己提出的模型以及其他全方位的可能性。粒子物理学家知道元素的类型和可能涉及的法则，比如粒子、力以及允许存在的相互作用。但是我们并不明确知道哪一种元素是现实成分的一部分。通过应用已知的理论成分，我们试图确认那些潜在的简单基本想法，它们可以被运用到最终的复杂理论中。
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同样重要的是，模型为实验设定探索目标，在比目前物理学家实验所研究的更小的距离上探讨粒子的行为。测量为我们提供线索，帮助我们区分相互竞争的候选者。我们还不知道新的基本理论是什么，但是可以描述可能的偏离标准模型的性质。通过考虑反映基本现实与结果的候选模型，如果模型正确，那么我们就可以预测大型强子对撞机可能揭示的东西。使用模型可以确认我们想法的性质，认识到与现有数据相一致的过多的可能性，并解释至今仍令人费解的现象。只有一些模型会被证明是正确的，但创造与理解它们是确定选项的最佳方法，是建立一个令人信服的要素资源的手段。
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探索模型与模型给出的详细结果，有助于我们确定可以令实验物理学家搜寻的可能存在的东西。模型为实验物理学家勾勒出新物理理论的有趣面貌，这使得他们可以检验模型的创建者是否已经正确地给出了物理元素或物理原理，指导体系之间的关系与相互作用。新物理定律的任何模型应用在可测的能量上，将预测新粒子与它们之间的联系。观测从对撞产生的粒子及它们的性质有助于确定存在的粒子类型、质量以及它们的相互作用。在发现新粒子或者测量不同相互作用的过程中，实验物理学家将确认或者排除已提出的模型，为更好的模型做好铺垫。
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获得足够的数据后，实验物理学家将决定哪一个基本模型是正确的，至少在我们可以研究的精度、距离与能量上做到这一点。我们希望在大型强子对撞机能标可以探测的最小尺度上，基本理论法则足够简单，这让我们可以推导和计算相关物理定律的效应。
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物理学家常常热烈地讨论，哪些是最好的研究模型，以及从实验上寻找最好的获取它们的方法。我经常跟实验物理学同事们一起坐下来，讨论如何最好地使用模型来指导他们的研究。例如，具体参数在具体模型中的基准点是否太特殊？有没有更好的方法来覆盖所有的可能性？
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大型强子对撞机实验太具挑战性了，以至于如果没有确定的搜索目标，实验结果就将被标准模型的背景所掩盖。实验不仅会根据已经存在的模型进行设计及优化，而且它们也会寻找更广泛的可能性。实验物理学家意识到，构造一个应用广泛的模型非常关键，因其遍布了所有可能出现的新迹象，这尤为重要，因为没人想要一个有太过偏见的具体模型。
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理论物理学家与实验物理学家都在努力工作，以确定我们没有漏掉任何重要的东西。我们不知道不同提议中哪一个是正确的，一直到实验验证的那一刻。所提出的模型可能是现实的正确描述，但即使它们不是，它们也启发了我们的搜索策略，并告诉我们至今尚未发现的新物质的不同面貌。希望大型强子对撞机会给我们一个结果——不管结果如何，我们都要做好准备。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950072]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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2010年3月30日，我在雪花般的电子邮件中醒来。邮件都是有关前一天晚上欧洲核子研究中心的7TeV对撞实验。它的成功，标志着大型强子对撞机实实在在的物理项目的开始。而2009年接近年底时的加速与对撞实验已经成为关键的技术里程碑。这些事件对大型强子对撞机的实验物理学家来说非常重要，因为他们终于可以通过来自大型强子对撞机真实对撞实验的数据，来校准并更好地理解探测器，而不是仅仅采用偶然穿过仪器的宇宙射线数据。在接下来的一年半时间里，欧洲核子研究中心的探测器会记录真实数据，使得物理学家可以证实或证伪他们的模型。最终，经过了起起伏伏的实验，大型强子对撞机的物理项目终于在排除万难后开始了征程。
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7TeV的对撞能量只是大型强子对撞机设定能标的一半。真实的目标能标——14TeV在几年之内还无法达到。同时，在7TeV的一轮运行上目标锁定的光度（每秒相互碰撞的质子的数目），远低于实验设计者最初计划的数目。但是无论如何，有了这些对撞结果，大型强子对撞机的实验终于在经历重重困难之后步入了轨道。我们终于可以相信我们对物质内部本质的理解将很快得到提高。如果一切顺利的话，那么两年后仪器将经历完全关闭、整装待发、再重新以满负荷运转的阶段，来为我们提供我们所期盼的真实结果。
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其中一个最重要的目标是，研究基本粒子如何获得质量的问题 。为什么所有粒子不都像那些零质量粒子一样，以光速穿过？回答这个问题的关键是一系列被统称为希格斯区的粒子，包括希格斯玻色子。本章将介绍为什么成功的粒子搜寻过程可以告诉我们关于基本粒子质量的想法是否正确，以及一旦大型强子对撞机以更高强度和更高能量华丽地回归，重新启动搜寻工作，那么它终将告诉我们隐藏在这重要而又引人注目的现象之下的粒子和相互作用的本质。
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希格斯机制，给出基本粒子质量的唯一方法
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没有物理学家质疑在现今我们所能研究的能量上的标准模型。实验物理学家已经测试了很多它的预测，在1%的精度上，实验结果都与预测符合得很好。
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然而标准模型建立在一个还没有观测到的因素上面。以英国物理学家彼得·希格斯命名的希格斯机制是我们所知的给出基本粒子质量的唯一方法。根据最初版本标准模型的基本前提，传递相互作用的规范玻色子没有质量，对标准模型来说非常重要的基本粒子，诸如夸克和轻子，也都没有质量。然而对物理现象的测量明显证明它们具有质量 。基本粒子的质量对于理解原子与粒子的物理现象——例如原子中电子轨道半径或者弱相互作用的极微小范围，至关重要，更不用说它对宇宙结构的影响了。根据质能方程E=mc2 ，质量也决定了有多少能量是需要用来产生基本粒子的。然而对于一个没有希格斯机制的标准模型来说，基本粒子的质量将是一个谜题。这样的理论是不被允许的。
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粒子对其质量丧失了不可剥夺的权利，这听起来似乎有点专制。你可能还期望粒子有权选择获得非零质量。然而标准模型与所有相互作用理论的精妙结构，恰恰表明它是非常独断专行的。该结构限制了允许的质量类型。规范玻色子的质量解释与费米子的有些不同，但是两者的基本逻辑都与处于所有相互作用理论核心的对称性相关。
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粒子物理学的标准模型涵盖了电磁、弱相互作用力以及强相互作用力，并且每一种相互作用都伴随着一种对称性。如果没有这些对称性，那么由量子力学与狭义相对论所预言的传递相互作用的规范玻色子其振动模式就会出现很多冗余。没有对称性的理论，其计算结果将产生荒谬的预测，例如赝振动（spurious oscillation）模式的高能相互作用的概率大于1。在任何对自然的准确描述中，这种非真实的物理粒子，也即在错误方向振动的非真实存在的粒子，显然需要被剪除。
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从这个意义上说，对称性就像垃圾邮件过滤器或者质量监控管理局。例如，质量规定只有平衡性能[63] 良好的汽车才能被留下来，这使得所有从工厂出产的汽车能像预期的一样，良好地行车。对称性在任何相互作用的理论中都会排除不良因素。这是因为发生在不想保留的非物理粒子上的相互作用不遵从对称性，反之，那些遵守对称性的粒子则以它们被允许的方式振动。因此对称性确保了理论预测中只涉及物理粒子，这样理论才能合理并与实验相符。
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对称性使得相互作用理论拥有了一种优美构想。与其通过计算将非物理模型逐一排除，不如利用对称性一举将所有非物理理论全部消灭 。总之，任何具有对称性的相互作用理论只涉及物理振动模式，它们的行为是我们想描述的。
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对任何理论来说，只要传递相互作用的粒子的质量为零（比如电磁或者强相互作用力），这种方法就很奏效。也就是说，对称理论对于它们的高能相互作用的预测都合情合理，而且的确只有自然中存在的物理模式才被涵盖。对于零质量的规范玻色子，高能相互作用问题的解决相对来说很直接，这是因为相应的对称性限制和排除了理论中的非物理、表现不良的模式。
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对称性解决了两类问题：第一，排除了非物理模式；第二，解决了伴随非物理模式而来的错误的高能预测 。然而，非零质量的规范玻色子有一个额外的、物理的（即存在于自然中的）振动模式。参与弱相互作用力的规范玻色子就属于这一类别，对称性会过多地剪除它们的振动模式。因此，如果没有新要素被添加进来，那么弱规范玻色子的质量就将使它不能遵从标准模型的对称性。更进一步，对于非零质量的规范玻色子，我们别无选择，只能保留它们的一种不良模式，这也意味着解决高能的不良结果的问题将变得困难起来。无论如何，理论需要一些新要素来产生合理的高能相互作用。
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此外，在没有希格斯粒子的情况下，没有一种标准模型的基本粒子可以既获得非零质量，又同时遵从最原始相互作用理论的对称性。由于相互作用的对称性，在没有希格斯粒子的标准模型中，夸克与轻子也不会具有非零质量。其原因看似与规范玻色子的逻辑无关，但是也可以追根溯源到对称性上面。
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