第316章 高能物理 二
然而，隨著“標准模型”这套人类歷史上最精確的理论体系日臻完美，当代理论物理学家几乎把所有能算的粒子指標都在黑板上算尽了。比如电子的异常磁矩，理论家们用標准模型算出的理论值，与实验物理学家测出的实际值，竟然完美吻合到了小数点后十二位！这是什么概念？这相当於你测量从地球到月球的距离，误差竟然不超过一根头髮丝的宽度！
如今的標准模型，就像是一座密不透风的堡垒。
於是，现代高能物理的数据分析，沦为了一种“验证式”的苦力活。
如今的物理学，理论物理学家们负责天马行空，在黑板上用优美的拓扑数学预言了某种新粒子的质量区间、寿命和衰变路径；然后实验团队就像苦逼的质检员一样，一头扎进几十pb的数据海里，去进行数据比对，找到这种被理论家隨手画在黑板上的幽灵粒子存在的证据。
这种验证式分析最核心的操作流程，被物理学家们戏称为“寻找小土包”，也就是寻找不变质量的特徵峰。
为了搞懂这个操作，徐辰详细拆解了2012年发现“上帝粒子”希格斯玻色子的那篇诺奖级论文。
……
在普通人的想像中，发现粒子可能就像是用显微镜看到了一个发光的小球，这个小球就是那个粒子。
但没有任何显微镜能够直接看到粒子，要证明这些基本粒子的存在，只能用间接的证据。
cern的探测器会记录数据文件，但探测器內部並没有摄像头，只有数以万计的硅微条和透明的钨酸铅晶体。粒子穿过这些材料时引发的微弱电离和闪烁光，会被转化为一串串十六进位电信號。
这些文件里，记录著每一次粒子碰撞后，探测器捕捉到的所有次级粒子的“四动量”，即粒子的总能量，以及它在三维空间x、y、z三个空间方向上的动量分量。
物理学家首先要写出冗长复杂的代码，將这些底层信號转化为粒子的能量和动量。
接著，最关键的一步来了。
因为希格斯玻色子的寿命极短，诞生后大概只能存在10^?22秒，瞬间就会衰变成两个高能光子。
10^?22秒是什么概念？这是一个令人绝望的时间尺度。在这个时间里，哪怕是宇宙中速度最快的光，也连一个原子核的直径都飞不出去！
所以，探测器根本抓不到希格斯粒子本人，只能抓到它“死后”留下的这两个光子。
於是，分析人员会在海量数据中，把所有包含“双光子”的碰撞事件挑出来，然后套用爱因斯坦狭义相对论中最经典的四维动量守恆公式：m2 = e2 ? p2。
这是爱因斯坦留给后人的最强外掛。把测得的两个光子的总能量和总动量代入进去，进行逆向推算。
算出来的这个m，就是它们衰变前的“母粒子”的静止质量，物理学上称之为“不变质量”。
……
最后，把几千万次对撞算出的“不变质量”数值，全部投影到一张坐標图上。
这张图的横坐標，是推算出的双光子系统“不变质量”，单位通常是吉电子伏特，gev；纵坐標，则是该质量数值在海量碰撞中被探测器记录下来的“事件次数”，即频次。
然而，在真实的对撞机中，並非只有希格斯粒子衰变才会產生光子。在质子与质子之间暴力的对撞中，还会產生海量毫无新意的普通光子。
用物理学家的话说：“lhc是一台强子对撞机，拿两个质子相撞，就像是拿两块精密的瑞士手錶互相猛砸。你確实能砸出里面隱藏的齿轮，也就是新粒子。但绝大多数时候，你砸出来的只是一堆毫无意义的玻璃渣和金属碎屑，代表的是普通夸克和胶子的碎裂。”
这些海量的玻璃渣代表的干扰信號，就是令所有物理学家头疼的“本底噪声”。
……
这种噪声的本质，来源於两束质子內部的夸克和胶子。当它们发生隨机碰撞时，会像两块打火石剧烈摩擦溅出的火花一样，直接“辐射”出两个光子。
要知道，在质子內部，绝大多数夸克和胶子只携带了质子总能量的极小一部分。想要撞出极高能量的光子，就必须要求两个恰好携带了巨大动量的夸克，以完美的角度迎头相撞，並且把所有的动能毫无保留地转化为两个光子。
这就好比隨手抓起两把沙子互相猛砸，想要恰好砸出两颗耀眼的巨大火星。你想要的火星越亮（即光子能量越高），这种极端巧合发生的概率就会呈指数级、甚至是断崖式地下跌！
因此，如果探测器抓到的这两个光子仅仅只是普通的量子力学背景產物，那么根据大数定律和统计学规律，这些海量事件的质量分布，必然会在坐標图上呈现为一条乾净、平滑且单调递减的本底噪声曲线。
……
但如果真的存在希格斯粒子，情况就完全不同了。
在它的固有质量点大约125 gev附近，由於大量真实希格斯粒子的集中衰变贡献，这条原本平滑的衰减曲线上，就会突然向上鼓起一个明显的高斯分布凸起，就像平坦的荒原上突兀地隆起了一座“小山峰”。
只要这座小山峰的高度，超过了背景波动的统计学误差范围，达到5个標准差，物理学家就可以向全世界宣告：我们发现了新粒子。
在社会学或医学领域，2个標准差，即95%的置信度通常就足以证明某种新药有效，可以发顶级期刊卖钱了。
但在高能物理界，因为碰撞的基数实在太大，每秒高达四千万次，很容易出现“统计涨落”的巧合，俗称“掷骰子连续掷出十个六”。因为如果你在1000个不同的能量区间里寻找异常，哪怕全都是纯粹的背景噪声，也必然会有一个区间因为概率的巧合而“鼓”起来。
物理学界歷史上被这种“巧合”坑过太多次了。
比如当年闹得沸沸扬扬的“超光速中微子”事件，最后发现竟然是因为一根光缆没插紧；还有的“750gev双光子幽灵”，让全世界理论家白白写了几百篇论文，最后隨著数据增加，那个“小山峰”硬生生平復了下去。
因此，物理学界定下了一条严苛的铁律：信號的显著性必须达到5个標准差，即出错的概率只有三百万分之一，才能被正式承认为“发现”！
……