這是個老笑話。一名婦女回家時發(fā)現(xiàn)一位鄰居在街燈下找他的鑰匙。她問：“你就是在那兒丟的嗎？”。鄰居說：“不是，但這里有光?！?/p>
更改一些細節(jié)，您可以描述成粒子物理的當前狀態(tài)。
十多年來，地球上最昂貴的實驗一直是以與光速相差無幾的速度相互投擲質(zhì)子。瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲粒子物理研究所（CERN）粒子物理實驗室的大型強子對撞機(LHC)發(fā)生了數(shù)萬億次碰撞，這有助于確認我們現(xiàn)有的現(xiàn)實狀況。但是，大型強子對撞機所要解決的許多基本問題仍然非常開放的。
對于新一代的物理學家來說，停滯的威脅意味著是時候重新思考我們的探索了。而不是建立更強大的實驗，他們有一個激進的建議。他們相信像LHC這樣的實驗可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了令人興奮的新物理的特征，我們只是不知道它們在那里。
在數(shù)百萬GB的數(shù)據(jù)中尋找那些丟失的線索是非常復雜和耗時的，需要強大的新算法。這就是為什么有些人想要一條捷徑。他們瞄準了困擾我們之前搜索的盲點，尋找隱藏在陰影中的有希望的新想法的蹤跡。他們提出的一個粒子巢的方案，其相互作用使它們隱藏起來，這可能是物理學中最令人困惑的問題的關(guān)鍵所在?；蛘?，這個方案可能是無濟于事的。不管怎樣，現(xiàn)在是我們冒險進入黑暗的時候了。
隨著科技的發(fā)展，大型強子對撞機發(fā)出了非常強大的光束。它的質(zhì)子碰撞以每秒3000萬次的速度轟鳴，產(chǎn)生了一個不可能完整存儲的連續(xù)數(shù)據(jù)流。相反，一些碎片被立即過濾，每秒選擇大約1000個進行進一步分析，其余的被丟棄。加州大學圣巴巴拉分校的理論物理學家納撒尼爾·克雷格(Nathaniel Craig)說：“這使得每天仍有超過8000萬的事件被記錄下來，即使是經(jīng)過篩選的結(jié)果也是如此復雜，需要進行選擇性分析。你只能探索有限的可能性?！?/p>
這意味著要依靠直覺來確定搜索的優(yōu)先順序。有時候，這些理論上的偏好是有回報的。以希格斯玻色子為例，這個粒子在20世紀60年代初就想出來解釋基本粒子是如何獲得質(zhì)量的。理論家預測，當兩個質(zhì)子以足夠高的能量碰撞時，這個難以捉摸的粒子可能會爆發(fā)，然后衰變成兩個能說明問題的光子。當大型強子對撞機在2009年首次啟動時，大部分的分析都是為了從背景噪音中挑出這種獨特的事件。
以色列魏茲曼科學研究所的諾姆·塔爾霍德(Noam Tal Hod)說：“你知道一個粒子應該是什么樣子，但分析是非常復雜的。”2012年7月4日，所有這些努力都得到了回報。大型強子對撞機(LHC)的數(shù)據(jù)顯示，大型強子對撞機的數(shù)據(jù)顯示，一個可疑的高數(shù)量的光子對以125千兆電子伏的能量出現(xiàn)，這相當于希格斯粒子質(zhì)量的一個可能值。這這樣一個數(shù)據(jù)尖峰，正是物理學家們一直在尋找的信號。
希格斯粒子是一個被稱為粒子物理學標準模型的拼圖的最后一部分，它描繪了宇宙中已知粒子和力的全貌。它的完成標志著長達幾十年的狩獵的結(jié)束，但并不是每個人都在慶祝。各種基本的謎團仍未解開，這表明一些超出標準模型的東西尚未被發(fā)現(xiàn)。
剩下的許多問題歸結(jié)為一個問題。粗俗地說，有些東西特別小，而相關(guān)的東西卻特別大。這就是所謂的層次問題，一旦你發(fā)現(xiàn)了它，你就會開始在任何地方看到它。
以大自然的四種基本力量為例。最弱的兩種是引力和弱核力，它們只在最小的尺度上工作，并對某些類型的放射性衰變負責。弱核力很弱，但與之相比，引力大約弱了25個數(shù)量級，這是一種奇怪的情況，到目前為止還沒有很好的解釋。
這種不對稱現(xiàn)象在其他地方再次出現(xiàn)。暗能量，一種導致宇宙膨脹加速的神秘力量，比我們預期的要弱120個數(shù)量級。暗物質(zhì)是宇宙中占主導地位的物質(zhì)形式，它與常規(guī)物質(zhì)的相互作用很弱。中微子是標準模型中最輕的粒子，比其他任何粒子都輕數(shù)千倍。
這些差異給物理學家們帶來了極大的困擾，他們更愿意看到理論中的相關(guān)參數(shù)具有廣泛的一致性。這種對“自然性”的偏好引發(fā)了很多理論上的猜測-有些人會說這是個錯誤。克雷格說：“大自然并不在意我們的美學”，現(xiàn)實并不一定是美麗的。
希格斯玻色子是通過對質(zhì)子碰撞碎片的篩選而發(fā)現(xiàn)的
然而，在大型強子對撞機第一次碰撞之前，自然解決方案是需要的。因為希格斯粒子被認為賦予了所有的基本粒子質(zhì)量，一些計算預測，這些粒子中的每一個，反過來都會增加希格斯粒子的質(zhì)量。這導致粒子的質(zhì)量比物理學家想象的要大17個數(shù)量級，這是一個迫切需要解決的層次問題。最流行的解決方案是假設每個粒子都有一個更重的“超對稱”孿生粒子，它與希格斯粒子的相互作用將完美地抵消所有這些多余的質(zhì)量。但是超對稱粒子所對應的碰撞從未出現(xiàn)在大型強子對撞機上，至少沒有以我們所尋找的形式出現(xiàn)。
十年過去了，一切都沒有改變。加州大學圣巴巴拉分校(UniversityofCalifornia，SantaBarbara)的伊莎貝爾·加西亞(Isabel Garcia)表示：我們太長時間地專注于超對稱，不利于該領(lǐng)域。但大型強子對撞機的故事遠未結(jié)束。這臺對撞機僅記錄了我們預期它一生中收集的數(shù)據(jù)的3%，2020年升級到更高的能量，將進一步提高它看到令人驚訝的事情的可能性。
但是，大型強子對撞機未能突破任何新的領(lǐng)域，這使得新一代人更加大膽地質(zhì)疑推動先前搜索的預感。歐洲核子研究中心的理論物理學家馬修·麥卡洛(Matthew McCullough)說：“這種樂觀情緒在年輕人中最為普遍，我們已經(jīng)擺脫了博士顧問們傳下來的理論網(wǎng)?！?/p>
他們不想等待新的對撞機按照他們的規(guī)格建造，而是想利用他們所掌握的無與倫比的資源：超過3億GB的存檔數(shù)據(jù)。到目前為止，對這些碰撞的分析幾乎完全集中于將其與標準模型或特定擴展(如超對稱)的狹義預測進行比較。但是還有其他的方法來查看數(shù)據(jù)。
在一個理想的世界里，物理學家可以將自己從先入為主的觀念中解放出來，然后嘗試將每一次碰撞的各個方面與基于標準模型的完美模擬進行比較。任何不一致，無論多么微小，都會發(fā)出警報。
大型強子對撞機已經(jīng)收集了3億GB的數(shù)據(jù)
這種完整的、未經(jīng)過濾的比較超出了我們目前的計算能力。更重要的是，標準模型所做的許多預測不是精確的值，而是簡化復雜計算所產(chǎn)生的近似值。這意味著，僅僅因為我們的數(shù)學稍差，警報就可能響起，從而導致一系列潛在的誤報。
一種切實可行的方法可能來自機器學習領(lǐng)域。盡管歐洲核子研究中心幾十年來一直在某種程度上使用它，但隨著計算機的指數(shù)級增強和算法的發(fā)展，這一領(lǐng)域正在迅速擴大。
歐洲核子研究中心(CERN)的實驗學家莫里齊奧·皮里尼(Maurizio Pierini)設想了一種新的自動搜索，可以標記意外事件。這些異常的數(shù)量可能會達到每月數(shù)百個，與主要收集的數(shù)據(jù)相比，這只是一個很小的數(shù)據(jù)量。一旦人類對它們進行了審查，該算法將被教導忽略那些被認為是假陽性的算法，從而限制未來對這些類型的檢測，同時學習尋找更多的那些真正令物理學家困惑的類型。
克雷格說：“機器學習是有希望的，也是必要的?！钡牵魏螌σ呀?jīng)收集的數(shù)據(jù)進行全面篩選的嘗試都可能需要時間。
無論我們接下來遵循哪一種理論預感，都需要謹慎地加以選擇。由于粒子物理學剛剛擺脫了幾十年來對超對稱性的癡迷，我們最不需要的就是用另一種方法來替換這套理論。但一位新的候選人似乎太誘人了，不會不去調(diào)查。對于越來越多的物理學家來說，它勾勒了所有的選項，解釋了困擾標準模型的神秘之處，同時留下可能隱藏在LHC數(shù)據(jù)中的明顯標志。
這項工作起源于兩個獨立的物理學家小組在2015年進行的研究。他們試圖解決一個等級問題：為什么引力比自然界的其他基本力量要弱得多。他們決定，彌合這一差距的方法是召喚出相當于機械時鐘的粒子。
齒輪安裝在每一個老式計時器中，秒針的每一個轉(zhuǎn)動都會在時針上產(chǎn)生相應的運動，讓兩個非常不同的時間刻度毫不費力地連接在一起。用粒子代替齒輪，每個粒子都能與其最近的鄰居相互作用，并且可以在兩個物理領(lǐng)域之間建立一座橋梁，這兩個領(lǐng)域的規(guī)模大不相同。
麥卡洛意識到這個想法可以做得更多，他的同事吉安·朱迪斯(Gian Giudice)是歐洲核子研究組織(CERN)理論部門的負責人，他與他的同事吉安·朱迪斯(Gian Giudice)一起，將鐘表般的類比延伸到整個宇宙，用無窮的齒輪鏈將微小的引力與其他基本力聯(lián)系起來。
“一座橋可以在兩個截然不同的物理領(lǐng)域之間建立起來?！?/p>
德國電子同步加速器實驗室的理論家克里斯托夫·格羅金（Christophe Grojean）對這項工作的威力印象深刻。他說：“時鐘機制可能會揭示出一種新的隱秘的物質(zhì)面貌?！?/p>
從那時起，時鐘機制開始流行，大量的論文建議如何將其應用于物理學中許多最令人沮喪的問題，從暗物質(zhì)的身份到中微子的質(zhì)量等等。每一次迭代都是為手頭的問題量身定做的一個獨特的裝置。
對于標準模型沒有回答的問題，時鐘機制并不是唯一種在數(shù)學上合理且令人信服的方法。然而，使它與眾不同的是它的實驗預測：如果存在時鐘機制，那么大型強子對撞機就不會注意到它。
希格斯粒子很容易被發(fā)現(xiàn)，因為它在數(shù)據(jù)中提供了一個明顯的尖峰。然而，麥卡洛說，時鐘機制法預測了一系列新的、緊密相連的粒子。這正是物理學家通常過濾掉的背景噪聲模式。
梳理這些特征需要從根本上改變觀點：我們需要更多地關(guān)注整個景觀，而不是挑出遙遠山脈中最高的山峰。這樣的轉(zhuǎn)變將是真正有價值的，加西亞說，有可能在時鐘機制本身之外發(fā)現(xiàn)新的結(jié)果。
皮里尼說，執(zhí)行必要的搜索是很容易的。事實上，塔爾·霍德（Tal Hod）一直在篩選LHC的模擬--比真實數(shù)據(jù)更容易掌握，測試是否有可能在這段時間里不被我們所注意到，就像鐘表一樣的獨特特征。他說，這是第一次有人尋找似乎波動的東西，盡管這樣的提議自2012年以來一直在四處流傳。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些與時鐘原理一致的東西，這給人們帶來了希望，更全面的分析可能會在今年的某個時候顯示出結(jié)果。
當然，這也需要接受考驗，這個想法可能會失敗。但是，即使是一個失敗的假設也是鼓舞人心的，只要問問在超對稱的漫長陰影中成長的理論家就知道了。
麥卡洛說：“沒有人知道新的物理學將在哪里被發(fā)現(xiàn)。”畢竟，在我們當前的搜索中，我們可能對更多的東西視而不見。其他的理論假設長壽粒子是我們不能直接看到的，在它們通過大型強子對撞機探測器很長時間后才會衰變成我們能看到的東西。補充性的小規(guī)模實驗正在進行中，其目的是擴大對新物理的探索，其中一些方法是大型對撞機無法做到的。但許多人的目光最終仍停留在大型強子對撞機上。
克雷格說：“大型強子對撞機是一艘巨大的戰(zhàn)艦，每次打仗的時候，這些小艇中可能都會有一次小規(guī)模的沖突，但戰(zhàn)艦贏了這場戰(zhàn)爭。”
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