希格斯玻色子发现10年了，下一个物理学突破性发现会是什么？

下一个重大物理学进展应该是对暗物质的更深入认识。

有许多研究暗物质的设施都会启动，借助它们，我们就能更加深入地研究暗物质的性质。举个例子，高亮度大型强子对撞机可以将产生的希格斯玻色子的数量提高一个数量级，于是，我们就能以极高准确度研究它们的性质。

反过来，对希格斯粒子的研究也为我们探索宇宙中充斥的暗物质打开了一扇新窗户，毕竟，任何与标准模型之间的差异都会为我们指明物理学的全新发展方向。诸如“宇宙微波背景辐射4阶段”这样的实验设备也会产生类似的效果。将所有这些新设备得到的结果整合起来，就可能得到目前最好的描述暗物质的理论。

未来有5大可能出现的发现，意义不下于希格斯粒子：

我们几乎可以肯定，现在已知的粒子只是粒子世界中的一小部分，可能只占到1/5。实际上，我们连新粒子的候选者都找好了——最轻的超对称粒子和轴子——相关实验都有可能取得重大突破。暗物质问题已经困扰了我们差不多一个世纪，也是时候解决了。到那时，我们会彻底解开这个谜团，发现一种全新的物质形式，打开一扇通往宇宙诞生之初第一个微秒的大门。这要是实现了，你还能要求什么呢！

如果我们发现并证实了宇宙微波背景辐射B模式偏振的存在，那么就可以确定暴胀的具体发生时间。同时，相关的引力波自然也就成了最古老的宇宙学遗迹。（暴胀产生的引力波如果存在，那么它们的诞生时间应该是宇宙诞生后的10^-36秒。）当然，要实现这个目标并不容易，但实验学家已经设计出了相关实验，他们要寻找的就是宇宙微波背景辐射中的纳开尔文级的引力波信号（温度为2.76开）。

哈勃常数代表宇宙的膨胀速率，这个常数的差异意味着如今直接测得的宇宙膨胀速率与40万年前测量（利用宇宙微波背景辐射）并利用宇宙学理论范式（ΛCDM模型 ）外推得到的结果不同。如果现有的ΛCDM模型存在某种缺陷，那么这两个测量结果可能都是正确的。

这个发现将会为我们打开一个全新的粒子世界，也会是超弦理论的第一个有力证据。

我们知道而且总是会说，正是那些新设施（比如LIGO）、新望远镜以及新加速器意想不到的发现推动了物理学的变革。LIGO已经取得了巨大成功，但到目前为止，它所有的发现都还是理论预言范围内的：两个黑洞的合并、两个中子星的合并，以及一个黑洞和一个中子星的合并。会不会有惊喜呢？就像20世纪60年代中期，脉冲星和类星体的发现一样。

我甚至还没有提到发现地外生命存在的证据，比如在金星、木星或土星卫星，甚至系外行星的大气里。在我看来，发现这些证据是早晚的事，问题只是什么时候、在哪里发现。

是啊，10年都没出现那种意义重大的突破，这就是我们面临的挑战，而且这种挑战与处理标准模型希格斯玻色子不同。

在研究标准模型希格斯玻色子时，我们已经有了一幅相当好的拼图，只是缺失了其中的一片。而且，我们多少知道这片缺失拼图的形状，只要在盒子里细细搜索，总能在形状符合的拼图中找到它。而现在，我们面对的是一整盒三维拼图，连要找什么都不太清楚，只能说，“没事，里面肯定有些好东西。好好享受探索的乐趣。”

按照标准模型，希格斯玻色子发生相互作用或破碎（对粒子物理学家来说，这两种情况是互通的）的频率某种程度上取决于相关希格斯粒子的质量。这就意味着，我们可以预测它们的产生频率（前提是知道所有相关粒子的质量）。当一个希格斯玻色子诞生时，常常也有其他粒子伴生。这就是我们在过去的几年里研究的问题。

我们看到希格斯玻色子衰变成Z玻色子、W玻色子、τ轻子、B夸克（衰变成B夸克后还会和顶夸克发生相互作用）。最近，我们还发现希格斯粒子可以衰变成μ子。这些衰变过程其实都是对标准模型的检验。我们期待从中发现实验与理论不一致的地方，它们会引导我们看到标准模型的缺陷。

现在又有一些令人兴奋的暗物质实验上线了。如果这些实验能够有所发现，那么大型强子对撞机就可以改变我们的选择，我们就能检验是否可以通过类似的方式产生相应粒子。这正是粒子加速器这种设备的专长：一旦我们知道了要找什么粒子，设计算法将目标从众多粒子中挑选出来并不困难。

在此，我要着重提一下氙（Xenon）实验和勒克斯-泽普林（LUX-Zeplin，LZ）实验。在过去几年里，这两项实验都有了不小的升级，现在再次上线。

氙实验和勒克斯-泽普林实验都要用到大量氙，它们的设计原理是期望地球在穿过暗物质时，后者能与氙原子发生相互作用，这样一来，一旦探测到氙原子的跳动就能间接证明暗物质的存在。

我们当然期待这样的实验能够取得具有突破意义的成果，但要想每5年就出现一个足以获得诺贝尔奖的发现显然也不现实。这门科学需要长期坚持和努力，需要好好筹划，积累难以分析的海量数据。

目前，我们正在筹备大型强子对撞机带着崭新的LHCb（称为“LHCb升级Ⅰ型”）重新启动的相关事宜。因此，现在所有人的焦点都是让新探测器顺利开始工作，并且启动数据处理流程——这也正是我工作的领域。

我们的主要目标是确定含有b夸克粒子的“味异常”。这涉及实验结果和标准模型之间的差异（也是我们乐于见到的现象）：相比电子，转变成μ子对的b夸克似乎太少了。

10年前，我就开始在LHCb项目里研究这个问题了，现在有了升级版的设备，就能更加深入地研究了。在未来10年里，我们肯定会收集到海量数据，它们会告诉我们答案。

如果实验结果证明，转变成μ子对的b夸克的确要比转变成电子的b夸克少得多，那么就必须引入与（至少）一种新玻色子相关的新的力。这种新玻色子可能是与已知的Z玻色子类似的Z’玻色子，也可能是完全不同的轻夸克，当然也可能是两者兼而有之。无论最后是哪种新粒子，都会引发粒子物理学的又一场革命。

确定了新粒子，下一个问题就是大型强子对撞机能否产生这种粒子。

在2022年3月举行的默里昂大会上，超环面仪器（ATLAS）项目和CMS项目的研究团队展示的数据都存在一些“起伏”。这可能是我们发现的新粒子导致味异常的第一个迹象。不过，之前的经验告诉我们，当积累了更多数据后，这样的起伏就会消失。所以，我们还要继续观察后续的实验发展。

如果大型强子对撞机的能量不足以产生这些新玻色子，那我们就需要一台功率更强大的机器了。这就是我们建设未来环形对撞机（FCC）的根本动力。

按照规划，FCC总长达到100千米，产生的能量比大型强子对撞机高7倍。另外，我们也可以建一个规模小一点的μ子对撞机，但设计和建设难度就会上升。理论上说，μ子对撞机确实是一种比较理想的工具：如果问题出在μ子上，那就利用μ子解决它。当然，这还取决于究竟是什么粒子造成了味异常——还是期待进一步的数据能够支持我们的猜测。

我认为，在未来10年中，物理学可能会出现两项重大突破。

第一，CDF实验的最新结果表明，W玻色子的质量与理论预期之间的差异高达7个标准差，全世界的物理学家都会把注意力放到粒子物理学标准模型的这个潜在缺陷上。

当然，相关测量很难展开，但LHC、ATLAS和CMS项目的研究员们拥有极其强大的探测器，能够获取海量的数据，绝对有希望取得突破。

如果能够确认这个结果，而且标准模型的理论预言没有改变，那就必然意味着存在一些新的基本粒子或者基本力等待我们发现和理解。理想情况下，任何此类发现都有助于我们认识宇宙中充斥的暗物质。这就是我要说的第二项可能出现的重大突破。

几十年来，物理学家和天文学家始终认为，暗物质由基本粒子构成。如今，下一代暗物质实验已经蓄势待发。我们期望，在未来10年里，相关仪器的灵敏度能够提升到足以观测到单个暗物质粒子相互作用的程度——当然，前提是物理学家和天文学家的暗物质理论正确。如果现有理论不正确，那就意味着我们应该重新认识暗物质的性质，重新思考它们的产生方式。

不过，无论是哪种情况，我们对暗物质粒子的认识都很有可能在未来10年内出现根本变化。否则——假如大自然真的如此吝啬，不愿我们窥探他的秘密——那我们就得从完全不同的角度思考问题了。

我们现在还不清楚大型强子对撞机能否发现暗物质。我们期望，大型强子对撞机可以产生暗物质粒子（前提是这种粒子真的存在），如果能够产生，那么暗物质粒子必然诞生于质子的互相碰撞过程。只有这样，我们才有机会捕捉到它们。还有一种可能，大型强子对撞机不能直接产生暗物质粒子，但可以产生能够衰变成暗物质粒子的粒子。这就是把赌注押在了超对称性上，但目前还没能实现。如果真的存在可以衰变成暗物质粒子的粒子，那同样意味着大量的碰撞，也同样需要大型探测器。如果连大型强子对撞机这样的设备都没法产生暗物质粒子，或者只能产生极其少量的几个……那这条路就走不通了。无论如何，这样的实验总是值得一做，但这是在探索完全未知的领域，风险很高，相应地，如果成功，收益也很高。

我个人猜测，我们会借助埋藏于地下深处的精密探测器探测到暗物质粒子。既然我们现在相当确信银河系内到处都是暗物质，那么我觉得猜测暗物质是一种粒子，可以像中微子那样自由穿透地球，也不应该算是特别大胆的想法。这样一来，问题就变成了：像低温暗物质探测器（CDMS）和LZ这样的设备，规模和灵敏度是否达到了可以观测到暗物质粒子相互作用的程度。当然，前提是，暗物质粒子确实会与其他粒子发生相互作用。