【基礎科研】從暗物質談起

兩年前，我在《中國錦屏地下實驗室》一文中談到上海交大的PandaX以及北京清華的類似新計劃。其實這種直接探測暗物質與實驗室裏的介質通過弱作用力反應的實驗，在國際上有好幾個，是過去十年非常熱門的高能物理實驗方向之一。在技術上，它們與以往的質子衰變（SU5統一場論預言質子會以很小的機率衰變，後來被實驗證明是錯的）以及一系列測量Neutrino（中微子或微中子，有很小的未知質量，會在三個種類之間自行嬗變；中國有大亞灣實驗仍在進行之中）的實驗極爲相似，都是選擇地底深處，以減少宇宙綫所引起的假信號，儲存了大量同位素穩定（亦即沒有會自發衰變的同位素）的介質，藉著觀察其核子衰變來檢驗是否有理論預測的新過程。

PandaX（Particle AND Astrophysical Xenon detector）選用的介質是Xenon，這是很昂貴但是很理想的介質，美國最先進的實驗LUX（Large Underground Xenon experiment）也選用了它。當然LUX在1.5公里深的South Dakota廢礦裏用了370公斤的Xenon，那麽晚了三四年開始的PandaX要後來居上，自然選擇了在2.4公里深的雅礱江錦屏水電站引水隧洞用500公斤的Xenon來做實驗。2016年七月21日，LUX宣佈實驗完成，公佈了完整的結果；由於電子系統的進步和各項細節的順利執行，LUX所探測的精度比原定高出了四倍（亦即超過半個數量級），但是仍然是連一個暗物質反應都沒有觀察到。PandaX還衹做到一半，但是已經有了精度相似的數據，於是匆忙在同一天晚上開了記者會，同樣宣佈了沒有觀察到暗物質的結果（參見http://www.guancha.cn/Science/2016_07_23_368600.shtml）。

這是LUX公佈的總結果。國際上幾個類似的實驗，從上到下，逐步否決了超對稱暗物質的參數空間。最新的LUX2016和PandaX2016，已經又比LHC否決的範圍超出一個數量級以上了。其實就算不假設超對稱，只假設暗物質參加弱作用力，作用强度也已經必須小於10^-4，前景十分黯淡，完全印證了我一直强調的，暗物質參加弱作用力是個天外飛來的假設，除了超對稱之外，并沒有理論的基礎，而超對稱本身卻極不靠譜。

既然LUX已經做完，而PandaX還沒有得到所有原定的數據，那麽物理界是否還在等後者完成實驗呢？很不幸的，不但PandaX在後段實驗中觀測到暗物質的機率微乎其微，高能物理界已經接受了這個事實，基本上沒人在乎PandaX了。這是因爲如前所述，LUX的測量精度比原定高了四倍，把理論預測的可能參數空間基本完全涵蓋，而這剛好也是PandaX真正計劃要搜索的部分。PandaX的測量精度還有餘量，但是已經沒有理論上的基礎，所以沒有實際上的意義。

不是做高能物理爲生的讀者或許會問，説不定理論是錯的，那麽PandaX反而會有機會做出真正重要的發現，不是嗎？其實這些實驗所依據的“理論”，正是我在一系列前文（參見《高能物理的絕唱》）中提過的超對稱，不但在過去30年的高能對撞機實驗裏被完全否定，這次LUX和PandaX的結果把它又多否定了一個數量級以上。換句話說，這些新實驗結果否定的不是暗物質的存在性，而是暗物質是超對稱粒子的可能性。所以“理論”的確是錯的，可惜這對PandaX沒有幫助。

這是因爲即使躲到地底深處，并且選用昂貴而穩定的介質，仍然會有很多雜訊，例如Neutrino和地殼裏放射性元素的自然衰變。PandaX在目前爲止的實驗過程中所觀察到的衰變事件總數超過3000萬，而且各式各樣的粒子都有可能，而實驗室所能容納的探測器種類十分有限（否則就至少等同重建LHC的實驗腔，亦即《高能物理的絕唱之一》所提到的人類世上最複雜的機器，而且反應區大了十幾個數量級），不可能對每一個衰變都追根究底，找出它的緣由。所以這些實驗必須根據理論預測的特徵，對衰變事件進行針對性的探測器安排，并在軟體方面做高速篩選。既然理論是錯的，統計上搜集的樣品再多也沒有意義。

當然LUX和PandaX這一系列實驗，并不是超對稱這個歪論的唯一受害者。高能物理實驗一向都必須針對某個特別的理論而設計，LHC本身也是針對超對稱而建造的（Higgs衹是安慰獎），所以超弦這幫騙子浪費的人類資源，至少已經以百億美元計了。現在衹有Higgs證明是現實存在的粒子，他們（如丘成桐）居然有臉說秦皇島的新對撞機也是爲Higgs而設計。其實它的尺寸比研究Higgs所需的大了超過10倍，費用超過20倍，連類型都不對:它是環狀的連續對撞機，而不是直綫對撞機。前者有較高的亮度（Luminosity），所以適合搜索未知的參數空間，而後者在能量相當的前提下，便宜至少一半以上，所以適合精密測量已知的粒子。這樣的一個針對Higgs的直綫對撞機，早已在緊鑼密鼓地籌備之中，它就是ILC（International Linear Collider，國際直綫對撞機），可能會落戶在日本（美國人自己似乎沒什麽興趣，大概因爲ILC的性價比雖然不像秦皇島對撞機一樣等於0，但是也衹稍大於0；歐洲人則已在LHC上學過一次乖）。

那爲什麽由美國人主導的高能物理界不讓中國主辦ILC呢？除了不像秦皇島的新對撞機，ILC至少有一點實際物理意義之外，我認爲還有一個理由，就是直綫對撞機的技術和環狀對撞機不同：後者降低能量和尺寸之後，可以作爲同步輻射的光源，在固態物理和生物物理上有很大的用途，但是這是老技術，中國早就有了（臺灣和上海在過去兩年先後啓用了世界先進的同步輻射光源）；而前者在降低能量和尺寸之後，就成爲自由電子Laser，這不但是最佳的硬X光（Hard X-Ray，亦即波長很短的X光，同步輻射是軟X光）源，在研究化學反應（因爲它脈衝極短、解析度極高，不止可以看見個別原子，甚至可以看見個別電子從一個原子跳到另一個原子的過程）上有不可替代的功能，在軍事上也有發展成太空武器的潛力，而中國在這方面還是一片空白。中國高能物理界的帶路黨徒，不可能不知道前述的道理，所以他們放著ILC不爭取，而衹知附和丘成桐公然撒謊，想忽悠出貴上20倍而且完全無用的秦皇島對撞機，就特別可惡了。

LHC預定在下個月，公佈針對我在《高能物理的絕唱之二》裏討論過的750GeV“統計鼓包”所做的新實驗的結果。我仍然認爲它是真實粒子的可能性在1%以下，立此存證。届時會再寫一篇詳細的分析，爲高能物理的死亡，蓋棺論定。