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“上帝粒子”：新發(fā)現(xiàn)背后的謎團(tuán)
2012-07-13
7月初，歐洲核子研究中心宣布發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，其特征與號(hào)稱“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合，引起了學(xué)界的轟動(dòng)和社會(huì)的關(guān)注。
但在新聞背后，感興趣的讀者或許會(huì)還冒出了不少問號(hào)：“上帝粒子”真是物理學(xué)家都?jí)裘乱郧蟮?ldquo;圣杯”嗎?它是否就隱藏在我們身邊?為什么物理學(xué)大師霍金不相信它的存在?這次會(huì)不會(huì)又是一個(gè)類似“中微子超光速”的烏龍……帶著這些疑問，科技日報(bào)記者采訪了中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、參與尋找希格斯玻色子的歐核中心CMS項(xiàng)目中國組成員陳國明。
“上帝粒子”并非一切物質(zhì)的質(zhì)量之源，而且只存在于宇宙大爆炸初期，科學(xué)家是要在實(shí)驗(yàn)室里“復(fù)活”它
科技日報(bào)：希格斯粒子為什么讓物理學(xué)家如此關(guān)注?
陳國明：希格斯玻色子又稱希格斯粒子，將它稱為“上帝粒子”，是因?yàn)樗腔玖Ｗ拥馁|(zhì)量之源。
我們知道，物體由分子、原子構(gòu)成，原子由質(zhì)子、中子組成的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。而質(zhì)子和中子都由夸克和膠子組成，夸克、膠子和電子等至今為止沒有發(fā)現(xiàn)有更深層次的結(jié)構(gòu)，因此被稱為基本粒子。
簡單地講，有了希格斯粒子，基本粒子才有質(zhì)量，有了質(zhì)量才產(chǎn)生引力，才會(huì)有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。
科技日報(bào)：今天宇宙中一切物質(zhì)的質(zhì)量是否都來自希格斯粒子，“上帝粒子”的稱號(hào)是否名副其實(shí)?
陳國明：“上帝粒子”只是個(gè)通俗說法，不能說希格斯粒子給一切物質(zhì)賦予了質(zhì)量。
按照物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，物質(zhì)的質(zhì)量來自兩部分，一部分是夸克、電子等基本粒子的質(zhì)量;另一部分則是基本粒子相互作用產(chǎn)生的結(jié)合能，這部分占的比重其實(shí)還要更大。
另外在物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的62種基本粒子中，其他61種都已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了存在，只有希格斯粒子這關(guān)鍵一環(huán)仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。
科技日報(bào)：希格斯粒子為什么這樣難找?如果它們就存在于我們身邊的話，為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡?
陳國明：根據(jù)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型和大爆炸理論，我們的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸剛發(fā)生時(shí)，無數(shù)的正反粒子同時(shí)產(chǎn)生，輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質(zhì)量。這些粒子凝聚成物質(zhì)，通過長時(shí)間的演化形成了星系。
而希格斯粒子的使命，在137億年前的宇宙大爆炸初始就已經(jīng)完成了。現(xiàn)在物理學(xué)家要再次尋獲希格斯粒子的蹤跡，就只有建造能量強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)，在里面給兩束高能粒子進(jìn)行加速、對(duì)撞，來模擬宇宙開始的時(shí)刻，在實(shí)驗(yàn)室里重新“復(fù)活”希格斯粒子。
然而每1012次的質(zhì)子對(duì)撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，有一顆是金沙，需要找出來。更麻煩的是，這種粒子一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，十億分之一秒后就會(huì)衰變成光子和強(qiáng)子等其他粒子。
科學(xué)家只能通過觀測這些粒子，反推它們會(huì)不會(huì)是希格斯粒子產(chǎn)生后又衰變出來的。
雖然時(shí)間倉促，但此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度足夠高，而要確認(rèn)“上帝粒子”現(xiàn)身可能還需繼續(xù)投入巨資
科技日報(bào)：作為迄今最大、最昂貴的物理科研裝置，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)就是為了尋找希格斯粒子嗎?為什么要造這么大的對(duì)撞機(jī)?
陳國明：LHC位于瑞士與法國交界處，加速器軌道總長27公里，投資30.68億瑞士法郎，設(shè)計(jì)能量達(dá)14萬億電子伏(14TeV)。LHC設(shè)有4個(gè)對(duì)撞點(diǎn)——ATLAS、ALICE、CMS和LHCb，均有中國資金和學(xué)者的參與。其中兩個(gè)主要實(shí)驗(yàn)ATLAS(超環(huán)面儀器)和CMS(緊湊繆子線圈)的目標(biāo)，就是尋找希格斯粒子和其他新的物理現(xiàn)象。
對(duì)撞機(jī)的基本原理，是通過消耗大量能源給粒子加速，再讓兩束具有巨大動(dòng)能的粒子對(duì)撞。能量越高，粒子相互轟擊時(shí)發(fā)生的作用就越大，越容易產(chǎn)生希格斯粒子。此前費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron(萬億電子伏特加速器)和歐洲的電子對(duì)撞機(jī)從上世紀(jì)80年代開始運(yùn)行，一直沒找到希格斯粒子，后來發(fā)現(xiàn)就是因?yàn)槟芰刻汀Ｒ虼薒HC從一開始就寄托著尋找希格斯粒子的最后希望。
科技日報(bào)：去年CERN格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室過早公布未經(jīng)驗(yàn)證的“中微子超光速”錯(cuò)誤結(jié)論，引起了學(xué)界的一些批評(píng)。這次CERN和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室如此“高調(diào)”地公布發(fā)現(xiàn)新粒子，是否也有追求轟動(dòng)效應(yīng)，甚至說在歐債危機(jī)下爭取公眾支持、爭取科研經(jīng)費(fèi)的考慮?
陳國明：此次所用的數(shù)據(jù)截止到今年6月中旬，而6月底就要完成數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論。這次公布結(jié)果，可以說在時(shí)間上確實(shí)很趕，很緊張，主要原因是為了在7月7日在澳大利亞開幕的世界物理學(xué)大會(huì)之前發(fā)布，在會(huì)上迎接全球同行的審議。另一方面恐怕也有爭取公眾支持的因素。
但與無心得出“中微子超光速”結(jié)論的OPERA項(xiàng)目不同，LHC的主要目的就是為了尋找希格斯粒子，自從2010年3月開始運(yùn)轉(zhuǎn)以來也取得了這一階段所需的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)積累越多，實(shí)驗(yàn)靈敏度就越高，越有可能做出發(fā)現(xiàn)。應(yīng)該說今年收獲結(jié)果不算晚也不能算早，在預(yù)期時(shí)間之內(nèi)。
此外，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都從兩個(gè)獨(dú)立衰變到找到這個(gè)新粒子，而每個(gè)衰變道都有多個(gè)獨(dú)立的研究小組得到一致的結(jié)果、CMS和ATLAS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都取得了一致的研究結(jié)果，2012年的結(jié)果也與2011年的一致，加上確定性水平達(dá)到5西格瑪(在統(tǒng)計(jì)學(xué)上為“真”的比率是99.99994%)，出現(xiàn)“烏龍”的可能性應(yīng)該說還是很小的。
至于美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布的結(jié)果，在靈敏度和價(jià)值上要低于LHC，而且他們的Teratron加速器去年底已經(jīng)關(guān)閉了，這次是對(duì)以前數(shù)據(jù)重新分析。
科技日報(bào)：目前CERN也尚未確認(rèn)這次發(fā)現(xiàn)的新粒子就是希格斯粒子，您認(rèn)為要真正確認(rèn)“上帝粒子”已經(jīng)找到，還需要做哪些工作?
陳國明：雖然這次發(fā)現(xiàn)新粒子的一些特征，比如產(chǎn)率(出現(xiàn)幾率)、衰變模型等與之前預(yù)言的希格斯粒子相吻合，但現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)性太少，還不能確定這個(gè)新粒子的各種特性，因此這次也可能發(fā)現(xiàn)的是另一種新粒子。
以目前取得的數(shù)據(jù)，要最終確認(rèn)希格斯粒子的存在恐怕還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍然需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。可能還需要再建一個(gè)高能量的直線正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，才能更仔細(xì)、準(zhǔn)確地驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果。不過要建這個(gè)對(duì)撞機(jī)，耗資會(huì)相當(dāng)于數(shù)百億人民幣，跟LHC差不多，需要國際合作來實(shí)現(xiàn)。
并非所有物質(zhì)理論模型都給“上帝粒子”留了位置，為了物理學(xué)的未來，必須搞清楚它的存在與否
科技日報(bào)：既然希格斯粒子被稱為物理學(xué)家夢寐以求、苦苦尋覓的“圣杯”，為什么霍金此前堅(jiān)持認(rèn)為希格斯粒子不存在?為什么前幾年尋找希格斯粒子的過程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些懷疑之聲?
陳國明：其實(shí)在物理學(xué)界，并不是所有人都相信希格斯粒子必定存在。像我是做實(shí)驗(yàn)物理的，此前也確實(shí)不完全相信它的存在。但畢竟希格斯粒子的存在與否，事關(guān)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的根基。無論相信、反對(duì)還是懷疑希格斯粒子的存在，大家都希望盡快把這個(gè)問題弄清楚，因此才會(huì)投入這么大的項(xiàng)目進(jìn)行研究。
在理論物理學(xué)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)模型并不是唯一的金科玉律。其他還有像超對(duì)稱理論，認(rèn)為存在多種希格斯粒子，且與標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中的希格斯粒子有很大不同;而霍金等一些科學(xué)家則支持超弦理論，這種理論能把包括引力在內(nèi)的自然界全部4種基本作用力統(tǒng)一起來，這是標(biāo)準(zhǔn)模型和超對(duì)稱理論做不到的;但超弦理論中并沒有希格斯粒子的位置。正因?yàn)檫@個(gè)，霍金才會(huì)出100美元跟人打賭說希格斯粒子并不存在，不過他打輸了。
科技日報(bào)：如果這次能夠確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，將對(duì)物理學(xué)有哪些意義?
陳國明：如果能證實(shí)這次發(fā)現(xiàn)的就是希格斯粒子，將是里程碑式的成就，使物理學(xué)邁出一大步。
粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型之所以能被廣泛接受，就是因?yàn)檫@個(gè)體系中的其他粒子都已經(jīng)找到，和宇宙大爆炸也不沖突，證據(jù)基礎(chǔ)非常扎實(shí)。而像超對(duì)稱理論中預(yù)言每種已知的粒子都有一種伴子，但至今一種伴子都沒有找到;超弦理論同樣也沒有證據(jù)。如果能確認(rèn)希格斯粒子確實(shí)存在，物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型作為理論基礎(chǔ)將更加堅(jiān)實(shí)，從而推動(dòng)物理學(xué)家探索其他前沿問題。
科技日報(bào)：當(dāng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)希格斯粒子之后，粒子物理學(xué)還要解釋哪些懸而未決的問題?
陳國明：即使這次終于發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不意味著粒子物理學(xué)即將畫上圓滿句號(hào)。物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型不是萬能的，像暗物質(zhì)、暗能量、物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱等問題，它都不能解釋。而根據(jù)現(xiàn)有理論，我們的宇宙組成中有73%是暗能量，23%是暗物質(zhì)，只有4%是目前理論所能解釋的物質(zhì)。
此外，目前人們認(rèn)為夸克和輕子是最基本的粒子，它們是否還由更小的粒子組成，是否能組成不同于質(zhì)子、中子的其他形態(tài)，也還需要進(jìn)一步的研究。
科技日報(bào)：如果證明希格斯粒子不存在，或者這次發(fā)現(xiàn)了一種不符合現(xiàn)有理論的新粒子，是否會(huì)像19世紀(jì)末催生量子力學(xué)和相對(duì)論的經(jīng)典物理學(xué)“兩朵烏云”(邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn))那樣，給現(xiàn)代物理學(xué)體系帶來革命性的沖擊?
陳國明：這次發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，并不能完全排除發(fā)現(xiàn)的是超對(duì)稱希格斯粒子或其他的粒子。如果是這樣，可能確實(shí)會(huì)給物理學(xué)理論體系造成不亞于類似“兩朵烏云”的重大沖擊，像媒體說的那樣“大廈將傾”。不過，這次發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子，概率還是很高的。
(記者 董子凡)
專家簡介
陳國明
1958年生，浙江天臺(tái)人，現(xiàn)為中國科學(xué)院高能物理研究所研究員。主要研究方向?yàn)榱Ｗ游锢韺?shí)驗(yàn)，目前參與國際空間站阿爾法磁譜儀(AMS)的反物質(zhì)和暗物質(zhì)研究、歐核中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的緊湊繆子線圈(CMS)項(xiàng)目。
《科技日報(bào)》(2012-07-11 一版)
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