物理学能否抛开大型设备

　　可能没有人比物理学家Gerald Gabrielse对那个电子了解得更多了。他曾在一个陷阱里捕捉了这个电子，然后连续10个月测量其内部电磁场大小。当它消失后，Gabrielse找了两天才不得不接受它已经不见了。“你会在一段时间后喜欢上你的粒子。”他说。

Gerald Gabrielse 和博士后Wayne Huang 在伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的低能量物理实验室里，Gabrielse 正在调节一个激光。

图片来源：Alyssa Schukar for Nature

　　Gabrielse有足够的时间爱上电子。30多年来，他一直在用复杂的电磁阱和激光揭示粒子的秘密，希望能找到超越标准粒子模型的第一个线索——该领域长期存在但却并不完善的基础理论。然而，在过去许多年里，他似乎都处于高能研究设施的阴影之下，如瑞士日内瓦附近长27公里、斥资50亿美元的粒子加速器大型强子对撞机（LHC）。“在我的职业生涯中，有相当长一段时间没有多少人在做这种事情，我想知道这是不是正确的选择。”他说。

　　现在，他突然从物理学的边缘走到聚光灯下。伊利诺伊州埃文斯顿西北大学即将创建首个专门针对他所开展的小规模粒子物理学的研究所，Gabrielse将担任该研究所的创办主任。

　　此举标志着探索物理学方式的转变。研究人员一直梦想能找到可助其解决物理学中最棘手难题的亚原子粒子。但6年来LHC的数据未能可靠地探测到任何一种意料之外的粒子。

　　现在，越来越多的物理学家正在向Gabrielse的方向靠拢，他们开始利用可放置在标准大学实验室中的最普通的设施。这些低能量实验学者采用的不是像粉碎粒子那样的强力撞击方法，而是使用精确的技术在自然界最基本的参数中寻找异常细微的偏差。这种最微小的差异或能为该领域未来指明发展方向。

　　扁球体

　　在某种程度上，这些小规模实验是重新回归一度开展的粒子物理学实验的研究方法。Gabrielse从美籍华人物理学家吴健雄在1956年的实验中获得了灵感。在如今马里兰州盖瑟斯堡美国国家标准与技术研究所的一个实验室里，吴健雄在放射性钴60原子发射电子过程中发现了一种不对称空间模式。这一发现连同理论研究证实了十年前发现的两种粒子实际上是同一种粒子。它还巩固了对刚开始萌芽的宇宙基本粒子及其大部分基本作用力的理论框架的信心，这些基本力很快就发展成为标准模型。

　　但物理学已开始向更庞大、更昂贵的实验设备前进。在二战后现金和声望的支撑下，此外，科学家认为新粒子会在高能碰撞中出现，物理学家由此提出建造越来越强大、越来越昂贵的粒子加速器。他们也得到了这些设备：如斯坦福大学的设施；伊利诺伊州巴达维亚附近费米实验室的设施；日内瓦附近欧洲核子研究中心的设施以及世界其他地方的大型设施。基于此，从夸克、μ介子到中微子，再到最终的希格斯玻色子一一被发现。标准模型已经完成。

　　然而，作为对宇宙的描述，它是不完整的。Gabrielse的研究是通过低能量来捕捉和探测粒子，他在欧洲核子中心（LHC所在地）一个更小的设施上开展研究，以寻找物质和反物质之间的差异。他和同事已经制造出迄今为止对一个物理量——电子内部磁性的大小或称自旋——的最精确测量。

　　在过去十年中，他最大的关注点之一是确定电子的形状。尽管它通常被认为是带负电荷的简单粒子，但电子可能存在隐含的复杂性。如果自然界的某些对称性——认为宇宙在各种逆转下表现相同的法则——被违反，那么电子的电荷就不会呈现完美的球形分布。相反，经常闪现或逃走的虚粒子将会倾斜所有的电荷分布，将其轻微挤压变形，形成物理学家所谓的电偶极矩“EDM”。

　　标准模型预测了一种微小的挤压，Gabrielse说，这种力如此小，“在我的一生中，几乎没有任何希望来测量它”。一些理论假设仍未发现的粒子可能使电子EDM（电偶极矩）大10亿倍左右。这些理论中很多都属于超对称性类别，这是标准模型的延伸，它可以解释为什么希格斯玻色子的质量比预期小，它可以把早期宇宙中的电磁、弱作用力和强作用力统一起来。它或许还能揭示暗物质的特征。

　　进动研究

　　到2000年代中期，实验已经逐步降低了电子EDM的尺寸上限，但却未达到能够揭示超对称性或超对称性预测粒子的程度。2008年实现了一个突破，科罗拉多州博尔德JILA研究所的两名理论物理学家报告说，氧化分子钍的内部电场强度约是铊的1000倍，使得电子的进动效应更容易被看到。

　　大约同一时间，在马萨诸塞州哈佛大学工作的Gabrielse结束了一项长期研究，并决定参与到电偶极的研究中。他和哈佛大学物理学家John Doyle作了交流，加上耶鲁大学物理学家David DeMille，3人决定相互合作。2009年，这3位科学家的“先进冷分子电子EDM”（或者ACME）实验获得美国国家科学基金会为期5年达6200万美元的资助。

　　合作团队在哈佛设立了工作室。Gabrielse致力于让团队的激光（共8个）更稳定和准确。Doyle专注于制作成千上万个氧化钍分子的高质量光束。DeMille设计了一套系统，使分子排列整齐，并使其免受外界干扰。

　　2014年初，研究人员报告称，他们尚未在其设置中看到EDM的证据，该设置的角差灵敏度达到1度的约百万分之一百。这使得电子EDM的上限下降了10倍以上，达到8.7 ×1029（单位为厘米乘以电子电荷）。如果一个电子相当于地球大小，而地球是一个完美的球体，那么这个极限就相当于把一块约20纳米厚的材料从一个极点移动到另一个极点。

　　ACME团队称，这一结果对超越标准模型的理论具有重大意义，它否定了许多假设的超对称粒子，而LHC在一定能量范围内则探测到它们的存在。但一些理论学家反驳称，有很多其他的理论（超对称和非对称理论）预测，电子的EDM比ACME团队排除的小。Gabrielse则发现，现存的理论越来越勉强。“理论学家们很狡猾。”他说，“每次当我们排除某些结论的时候，他们就会设法把事情扭转过来。”

　　多管齐下

　　在这一研究中，ACME并非孤军奋战。JILA物理学家Eric Cornell在2001年因创造了一个叫做玻色—爱因斯坦凝聚态的新物质阶段而获得诺贝尔奖，此后他与同事Jun Ye合作寻找EDM。不像ACME所做的那样，当分子通过光束时对其进行操作，Cornell和Ye决定用一个旋转的电场捕获带有较大内磁场的分子离子，从而使电子的运动时间更长以了解它们。DeMille认为，这一想法“很聪明，但结果会如何尚不得而知”。

　　现在，研究人员正在接近新的EDM结果。ACME实验的物理学家已经把可以加入实验设置的分子数量增加到400个。他们希望这与其他改进能使实验精度提高10倍，使他们能够在LHC的能量范围之外寻找效应。JILA团队也在加紧进行实验，以超越LHC的极限。英国伦敦帝国理工学院的研究人员曾是一个电子EDM测量纪录的保持者，他们计划用激光冷却的氧化钇分子进行实验，并希望其测试能比ACME第一次运行结果精确1000倍。

　　电子并非标准模型之外唯一的低能量研究“窥视孔”。一些物理学家正在寻找中子或原子的EDMs，它们像电子一样，或能揭示一种违反自然界对称性的现象。另一些人则在使用完全不同的技术服务于基础物理学：原子钟。构成这些时钟的原子吸收和发散的辐射频率仅依赖于某些基本的自然常数。这些频率的微小偏差或能支持一些理论，如试图解释为什么引力比宇宙其他力量弱得多的理论。

　　到目前为止，这些研究尚未产生新的物理学成果。但研究人员认为，它们展示了年轻一代物理学家在如何给这一领域注入新思想。斯坦福大学理论物理学家Savas Dimopoulos认为：“从某种意义上说，有很多理论观点被忽视了，因为每个人都把注意力集中在LHC和之前的对撞机上。”

　　没有人期望这样的试验台实验能够取代粒子对撞机。但它们可以引导物理学家找到合适的能量范围，进行更详细的研究。

　　Gabrielse对该团队的下一个实验以及他位于西北大学的研究中心（今年将运行）均抱有很高的期望。但他并未做出任何承诺。“我们正在钓一条鱼，它的形状、颜色、速度和牙齿对我们来说都是完全未知的。”他说。