对撞机探寻大额外维度
即便大额外维度超过两个,高能粒子对撞机也非常适合于发现来自大额外维度的KK粒子。在ADD模型里,引力子的KK伙伴总是轻得令人难以置信。如果大维度假说适用于真实世界,那么无论有多少额外维度,引力子的KK伙伴都足以在加速器里生成。这告诉我们,即使维度小于1毫米,当今和将来的加速器探索实验都应该能发现它们。现在的对撞机所产生的能量已足以生成这样的低质量粒子。事实上,倘使能量是唯一相关的量,KK粒子早就被大量生成了。
但是,有一个潜在的困难:引力子
KK伙伴之间的相互作用超乎想象地微弱——事实上,它如引力子本身一样微弱。因为引力子相互作用很容易被忽略,以至于对撞机从未在可测速率的水平上生成或发现引力子,因此单个的引力子KK伙伴也没有被发现。
虽然这种推想让人很受挫,甚至我们还以为没有希望了,可实际上,探测到高维KK粒子的前景远比我们想象的更为光明。这是因为,如果ADD假说正确,就会有许多很轻的引力子的KK伙伴,这样就有可能留下它们存在的可探测证据。如果大额外维度图景正确,那么,即使生成单个KK粒子的几率很小,但生成大量轻KK粒子中的一个,可能性还是很大的。例如,假设有两个额外维度,大约有1 000万亿亿个KK模式轻得足以在运行能量大约为1 TeV的对撞机里生成,那么即使生成其中某个特定粒子的机会极少,但至少生成其中一个粒子的机会总是有的。
这就好像是,有人以非常含蓄的方式向你暗示什么。第一次你听到后没往心里去,可后来有50个人向你重复同一件事,即便第一次听到这信息时没有在意,可到第50次的时候,这信息在你脑海里便根深蒂固了。同样,尽管轻KK粒子轻得足以在现今的加速器里生成,但它们的相互作用非常微弱,我们无法探测到单个粒子。可是,当加速器达到足够的能量,能大量生成它们时,KK粒子就会留下可观察的信号。
大型强子对撞机研究的将是TeV能标,如果ADD观点正确,它将极有可能生成KK粒子。
这听起来像是一个太过幸运的巧合——无论是KK质量,还是决定KK粒子相互作用强度的质量(MPL)都不是1 TeV,那么大约1 TeV的能量为什么会与生成KK粒子的机会相关?
答案是,大约1 TeV的能量决定了高维引力的强度,而高维引力最终决定了对撞机会生成什么。因为许多引力子KK伙伴的相互作用就等于一个高维引力子的相互作用,而高维引力子在大约1 TeV能量上的相互作用非常强烈,因此,所有KK粒子作用的总和在这一标度上也一定是非常显著的。
实验者们已准备用费米实验室的Tevatron寻找KK粒子。尽管Tevatron达不到LHC那么高的能量,但也达到了实验所需要的能量。而LHC会做得更好,假设ADD的KK粒子存在,LHC找到它们的机会要大得多。
这些KK粒子会是什么样子呢?生成引力子KK伙伴的对撞很像寻常的对撞过程,只不过它看上去会有能量流失。在LHC里,当两个质子对撞时,会生成一个标准模型粒子和一个引力子的KK伙伴。举例来说,标准模型粒子可以是胶子——质子对撞产生一个虚胶子,这个虚胶子可以转化成一个真实的物理胶子和一个引力子KK伙伴。
但是,单个的KK粒子作用非常微弱,不能被探测到。但如果KK粒子有很多,就可能被发现。探测仪会捕捉胶子,或者更准确地说是围绕胶子的喷射流(见第7章),所以即便记录不到引力子的KK伙伴,产生引力子KK伙伴的过程仍将被记录下来。判别事件额外维度来源的关键就在于这些看不见的KK伙伴,它们携走能量进入额外维度,因而能量看起来就像流失了。实验者们将研究喷流事件,如果其中被放射胶子的能量少于进入碰撞的能量,他们就能推知一个引力子的KK伙伴生成了(如图19-3所示)。这与泡利推测中微子的存在有点类似(如我们在第7章里所见)。
质子产生对撞,一个夸克和一个反夸克互相消融生成一个虚胶子,虚胶子转化成一个看不见的KK粒子和一个可见的喷射流。灰线是质子对撞时总会大量喷射的一些额外粒子。
因为我们对新粒子唯一所知的就是它带走了能量,所以实际上我们并不能确定加速器生成的就是一个KK粒子,而不是相互作用微弱得探测不到的别的什么粒子。但是,通过对能量流失事件的仔细研究——例如,生成速率与能量的依赖关系,实验者们就有望确定KK粒子的阐释是否正确。
KK粒子将是在我们四维世界里最容易得到的来自额外维度的访客,因为它们可能是代表额外维度的最轻物体。如果我们幸运,ADD模型的其他印记将与它们一同出现,甚至包括更为奇特的物体。如果ADD正确,高维引力将在大约1 TeV上变得强大,这就是说,这一能量远低于我们原以为在惯常四维世界里的能量。如果这样,在大约1 TeV的能量附近就有可能生成黑洞,这种高维黑洞将是我们深入理解经典引力、量子引力以及宇宙形状的敲门砖。如果与ADD观点相关的能量足够低,黑洞的生成将近在咫尺,它们在LHC里就可能形成。
对撞机生成的高维黑洞要远小于宇宙的黑洞,它们的大小与非常微小的额外维度差不多。你大可放心,这种微小的、转瞬即逝的黑洞对我们或我们的星球根本构不成任何危险:在造成任何可能的危害之前,它们就已销声匿迹。黑洞不会永远存在,它们会通过释放霍金辐射,瞬间蒸发。但是,正如一滴咖啡远比一整杯咖啡蒸发得快一样,小黑洞也要比大黑洞蒸发得快。因此,对撞机能生成的微小黑洞,在瞬间就会蒸发。但是,如果这些高维黑洞生成了,它们就能持续足够长的时间,在探测仪里留下可见的存在迹象:它们会有与众不同的表现,因为它们会产生许多粒子,这是你在通常的粒子衰变里看不到的,而且这些粒子会向所有方向喷射。
再者,如果ADD模型正确,奇异的新发现将不止会有黑洞和引力子的KK伙伴。如果ADD和弦理论都正确,对撞机就能在几乎低至1 TeV的能量上生成弦。这仍然是因为基本引力标度在ADD模型里非常低:高维引力将在大约1 TeV的能量上变强,而量子引力会产生可测量的效应。
ADD理论的弦质量不会大到令人根本无法探测的普朗克级质量。如果你把弦当做音符,那么ADD观点里的弦远没有那么高的音调。ADD模型的低音弦所拥有的质量不会比1 TeV大很多,如果我们幸运,它们足以轻得在LHC里生成。那么,能量足够高的对撞就能大量生成这种模型里的轻弦以及一些新的物质:由许多长弦构成的弦球。
虽然这些潜在发现非常吸引人,但不要忘记, LHC的能量很可能接近于(但不会达到)
产生弦和黑洞所需的能量。ADD的弦和黑洞是否可见将取决于高维引力的正确能量(当然,也取决于他们的设想是否正确)。
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