劳伦斯·克劳斯（Lawrence Kraus）是一位理论物理学家，宇宙学家，起源计划的主任，亚利桑那州立大学地球与空间研究学院的创始人。 他是畅销书籍的作者，如《虚无的宇宙》和《星际迷航的物理学》。 摘录自他未来的书《迄今为止最大的故事：我们为什么在这里》的摘录。 [迄今讲述过的最伟大的故事-到目前为止：我们为什么在这里？]。
在2012年发现希格斯粒子之前，粒子物理学专家曾梦见过两种噩梦。 首先是他们在大型强子对撞机（LHC）上找不到任何东西。 在这种情况下，它将是为探索宇宙的基本结构而建造的最后一个主要加速器。 第二个是他们将在LHC上找到理论物理学家Peter Higgs于1964年预测的希格斯粒子……仅此而已。
对现实水平的每次发现都向我们展示了以下水平。 因此，科学中的每个重要发现通常给我们带来的问题多于答案。 但这通常至少为我们提供了前进的方向，帮助我们寻找新问题的答案。 希格斯粒子的成功发现和希格斯场的不可见背景在空间中的存在的确认（在量子世界中，希格斯粒子等每个粒子都与一个场相关联）已成为20世纪大胆科学发现的重要证明。
但是
谢尔登·李·格拉索夫（Sheldon Lee Glashow）的话并没有失去意义：希格斯粒子类似于下水道。 她隐藏了我们不想谈论的所有不整洁的细节。 当大多数基本粒子在空间中移动时，希格斯场会与大多数基本粒子发生相互作用，并产生阻力以减慢其运动并使其具有质量外观。 因此，由我们测量并使我们熟悉的世界成为可能的基本粒子质量是一种错觉，是我们感知的偶然。
这个想法可能看起来不错，但实际上它是对物理标准模型的特殊添加-解释了四种已知力中的三种，以及它们如何与物质相互作用。 它被添加到该理论中，以满足对我们的世界进行准确描述所必需的要求。 但是该理论本身并不需要它。 宇宙很容易与无质量的粒子和远距离的弱相互作用存在（四种相互作用之一-其余的将是强力，电磁力和重力）。 根本不会是我们和我们的问题。 此外，希格斯模型的确切物理特性并不仅限于标准模型。 粒子可能重20倍或轻100倍。
那么为什么它甚至存在呢？ 她为什么这么重？ （考虑到当科学家问“为什么？”这个问题时，他实际上的意思是“如何？”。）如果没有希格斯粒子，就不会有我们观察到的世界-但这显然不能被称为一个解释。 还是可能吗？ 理解希格斯物理学的基础意味着理解我们自己的面貌。 当我们问：“我们为什么在这里？”，实际上，我们在问：“为什么希格斯人在这里？” 而且标准模型不能回答这个问题。
有一些提示是理论和实验相结合的。 在1974年建立了标准模型的清晰结构之后不久，并且在接下来的十年中对其细节进行实验确认之前，不久，哈佛物理学家的两个不同小组-谢尔登·李·格拉肖和
斯蒂芬·温伯格都在其中工作，发现了一些有趣的东西。 Glashow和
Howard Georgie一起做了他最了解的事情：在现有粒子和相互作用中寻找模式，并使用数学分组理论寻找新的可能性。
在标准模型中，弱和电磁相互作用在高能量下合并为一个力，物理学家称之为“电弱”。 这意味着相同的数学控制着弱相互作用和电磁相互作用，它们都遵循相同的对称性，并且这两个力是同一统一理论的不同反映。 但是，希格斯场与传递弱相互作用的粒子相互作用，但与携带电磁波的粒子相互作用，则对称性被“自发破坏”。 自然界的这种性质导致这样的事实，即两种相互作用在可用于我们的测量的尺度上看起来是不同的，而弱相互作用在短距离下起作用，而电磁相互作用在长距离下起作用。
Georges和Glashow试图扩大这个想法并将它们之间的强大相互作用联系起来，并发现所有已知的粒子和无重力的三种相互作用自然都适合于一个基本对称的结构。 他们认为，这种对称性可以自发地以某种超高能级（且在短距离内）分解，这超出了现代实验的能力，并产生了两个单独的对称性-强相互作用和电弱相互作用。 结果，在较低的能量和较大的距离处，电弱对称性被破坏，将电弱相互作用分为弱的（作用在短距离处）和电磁的（作用在远处）。
他们谦虚地称这种理论为大统一理论（TVO）。
大约在同一时间，温伯格（Weinberg）和乔治（Georgie）以及
海伦·奎因（Helen Quinn）注意到了一些有趣的事情，从而发展了弗兰克·威尔切克（Frank Wilchek），大卫·格罗斯（David Gross）和大卫·波利策（David Politzer）的作品。 如果在较小的距离处，强相互作用变弱，则电磁和弱相互作用变强。
不必在额头上跨度为七个，即可对任何小规模上的三种不同相互作用的强度是否一致感兴趣。 在计算之后，他们发现（以测量相互作用的准确性）这种结合是可能的，但仅在距离比质子大小小15个数量级的情况下。
如果TVO是Howard Georgie和Glashow提出的-那么这是个好消息，因为如果我们在自然界中观察到的所有粒子都以这种方式结合，那么就必须有新的粒子（
校准玻色子 ）在夸克（质子和质子）之间建立联系。中子）和带有中微子的电子。 这将意味着质子可以衰变成更轻的粒子，我们可以从原理上观察到。 正如Glashow所说，“钻石不会永远存在。”
即使那样，也知道质子的寿命非常长。 不仅因为我们在大爆炸之后仍然存在140亿年，还因为我们没有在儿童时期死于癌症。 如果质子的平均寿命少于十亿亿年，那么在童年时期，足够多的质子会在我们体内衰变，从而使它们的辐射杀死我们。 在量子力学中，所有过程都是概率性的。 如果平均质子存在十亿亿年，如果您有十亿亿个质子，那么其中一个质子将平均每年衰减。 在
我们体内，有超过十亿个质子。
但是，由于距离的尺度如此之小，因此质量尺度如此之大，并伴随着TVO的自发对称性破坏，新规格的玻色子会收到巨大的质量。 这将导致这样一个事实，即它们所控制的相互作用会发生在如此小的距离上，以至于从质子和中子的角度来看它们将变得非常弱。 结果，尽管质子可以衰变，但在我们之前，质子可以幸存下来，也许有一万亿亿年。
得益于Glashow与Georgie以及Georges与Quinn和Weinberg共同获得的结果，人们对合成技术的期望越来越高。 在电弱理论成功之后，粒子物理学家们雄心勃勃，并相信随后的统一。
您怎么知道这些想法是否正确？ 不可能制造出一种能以比其余质子多一万亿倍的能量工作的加速器。 这种机器的周长必须与月球轨道进行比较。 而且即使有可能，由于超导超级对撞机的失败，也没有政府会批准这样的估计[这种对撞机，也称为沙漠号，将在90年代在德克萨斯州建造，但是由于预算问题，该项目已被取消。 计划其周长为87.1公里。 在建设上花费了20亿美元，最终费用估计为120亿美元-大约 翻译]。
幸运的是，还有另一种方法-使用我描述的概率，从而限制了质子的寿命。 如果TVO预测质子的寿命为一千亿亿年，那么您需要将一千亿亿个质子填充到一个检测器中，然后平均每个质子每年都会衰减。
哪里有那么多质子？ 很简单：在3000吨的水中。
为此所需要做的就是将一罐水放在黑暗中，确保该位置没有放射性本底，并用能够检测探测器中闪光的灵敏光电管围绕它，然后等待一年以等待质子衰变时出现闪光。 听起来很吓人，但按照这样的计划，至少要支付并建造两座大型实验工厂-一个
在伊利湖 （IMB）
附近的盐矿的地下深处 ，另一个
在日本神冈 （Kamiokande）的
锌矿中 。 地雷用来切断宇宙射线，在此背景下不可能注意到质子的衰变。
大型强子对撞机这两个实验都在1982-1983年开始起作用。 科学家被TVO所吸引，以至于他们有信心等待信号很快出现。 在这种情况下，TVO将是十年来粒子物理学领域巨大发展和发现的顶点-更不用说下一届
诺贝尔奖获得者Glashow ，还有可能更多。
不幸的是，在这种情况下，自然不是那么友好。 在第一年，第二年或第三年都没有出现任何信号。 Glashow和Georgie的简单优雅的模型很快就被拒绝了。 但是TBO发烧已经吸引了科学家，很难消除它。 还提出了有关统一理论的其他建议，由于这些理论，质子的衰变将超出当前实验的范围。
1987年2月23日，发生了另一件事，再次证明了一种几乎普遍的格言：进入宇宙的每个新窗口都使我们感到惊讶。 那天，在照相板上过夜的一群天文学家发现了我们过去400年来所见到的所有最近的爆炸星（超新星）。 这颗恒星位于距我们16万光年的地方，位于
麦哲伦星系
大云中 ，这是一个小星系，是银河系的卫星，可以在南半球看到。
如果我们关于爆炸恒星的理论是正确的，尽管它们的爆炸光是宇宙烟花中最亮的事实（并且它们在100年内在一个星系中爆炸了大约一颗恒星），但它们发出的大部分能量应该采取中微子的形式。 粗略的计算表明，IMB和Kamiokande水探测器必须探测到约20次与中微子的碰撞。 当这些探测器的实验人员研究当天的数据时，IBM以10秒的间隔发现了8个候选物，而在Kamiokand上则发现了11个。对于中微子物理学来说，这只是数据的海洋。 中微子天体物理学突然成熟。 可能是，这19个事件基于各种物理学家（包括我本人）的1900篇科学著作，他们认识到该事件为我们打开了爆炸恒星的原子核以及进入天体物理学和中微子物理学实验室的空前窗口。
在大型质子衰变探测器可以同时成为天体中微子探测器的想法的驱使下，几组科学家开始建造新一代的这种两用探测器。 最大的是在神冈矿中重建的，被称为超级神冈-非常有道理。 这个巨大的水库重达50,000吨，周围有11,800个光电管，在一个现有的矿井中进行了工作，并在实验室清洁的条件下进行了实验。 这是必要的，因为使用如此庞大的探测器，不仅要注意外部宇宙射线，而且还要注意会掩盖所有有用信号的内部放射性污染物。
同时，对天体中微子的兴趣也达到顶峰。 太阳是由于其核心发生核反应而发出中微子的，而物理学家雷·戴维斯（Ray Davis）20年以来一直发现太阳中微子，但发生的事件比太阳最好的模型预测的少三倍。 在加拿大的萨德伯里矿山上建造了一种新型的太阳能中微子探测器，称为萨德伯里中微子观测站（SNO）。
迄今为止，Super Kamiokande几乎已经连续工作了20年，有时还要进行各种改进。 此后没有观察到质子衰减的信号，也没有新的超新星出现。 但是，对中微子的准确观测，再加上对SNO的其他观测，明确地证实了雷戴维斯发现的太阳中微子缺乏的现实。 发现该缺陷不存在是由于太阳中发生天体物理学现象，而是由于中微子的性质。 显然，三种中微子中的至少一种不是无质量的。 由于中微子未包含在标准模型中，因此这是首次证实的观察结果，表明某些新物理学在标准模型和希格斯之外起作用。
来自高能宇宙射线的质子与大气碰撞并产生次要亚原子粒子的
大范围空气冲淋后，高能中微子会定期轰击地球。 对它们的观察表明，第二种中微子也具有质量。 它比第一个略大，但比电子质量小得多。 为此，来自SNO和Kamiokande的团队在我开始撰写此书的一周前，于2015年获得了诺贝尔奖。 迄今为止，还没有使用我们的理论来解释这些对新物理学的诱人的暗示。
没有质子衰减是令人失望的，但并不是完全令人惊讶。 从最初提出TVO的那一刻起，物理领域就发生了变化。 对这三种非重力相互作用的值进行更准确的测量，以及对其幅度随距离变化的更复杂的计算，表明如果自然界中仅存在标准模型中的粒子，则这三种相互作用的作用力将不会在一个尺度上组合。 为了使“大统一”发生，必须存在一种新的物理学，其能量规模应超过我们迄今为止所观察到的一切。 而且，新粒子的存在不仅会改变结合这三种相互作用的能量尺度，而且还会增加TBO的尺度，从而降低质子的衰减率，并使它们的寿命超过数千亿亿年。
大型强子对撞机与这些事件同时发生，理论家们积极地使用新的数学工具来研究一种新的可能的对称类型，他们开始将这种类型称为超对称。 这种基本的对称性与其他已知的对称性不同，它结合了两种不同类型的粒子：费米子（自旋为半整数的粒子）和玻色子（自旋为整体的粒子）。 底线是，如果在自然界中观察到这种对称性，那么对于标准模型中已知的每个粒子，都必须至少有一个新粒子。 对于每个新的玻色子，必须存在一个费米子。 对于每个费米子，玻色子。
由于我们没有观察到这些粒子，因此这种对称性无法在我们可以进入的宇宙水平上显现出来，因此必须将其破坏-这意味着新粒子的质量必须足够大，以至于无法在现有的加速器中找到。
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