尋找“上帝粒子”

　　大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前的主要工作就是尋找“上帝粒子”。它是由英國(guó)人彼得·希格斯等物理學(xué)家在上世紀(jì)60年代提出的一種基本粒子，在粒子物理學(xué)界被稱為“希格斯粒子”，因?yàn)樗徽J(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，所以被稱為“上帝粒子”。尋找“上帝粒子”目前已成為整個(gè)物理學(xué)界研究的中心。科學(xué)家為什么要一直尋找它?它的發(fā)現(xiàn)對(duì)人類有何意義?
　　
　　為什么要尋找“上帝粒子”?
　　
　　世界上一切物質(zhì)都是有質(zhì)量的，我們認(rèn)為這是理所當(dāng)然的事情。物質(zhì)為什么會(huì)有質(zhì)量?乍一看，這仿佛根本就不是個(gè)問(wèn)題，有物質(zhì)存在當(dāng)然就有質(zhì)量啦。您也許會(huì)說(shuō)是因?yàn)榻M成物質(zhì)的分子有質(zhì)量，那分子的質(zhì)量又由何而來(lái)?也許您依然有答案：原子，或是再細(xì)分下去的質(zhì)子和中子、夸克。到了這一步，您或許有點(diǎn)要繳械投降了：它們這些粒子有質(zhì)量，所以一切物質(zhì)就有質(zhì)量嘛!但是物理學(xué)家明顯不會(huì)滿足于這個(gè)答案。要解釋這個(gè)問(wèn)題，牽涉到非常復(fù)雜的物理理論，但問(wèn)題的答案卻是宇宙形成的根本奧秘所在。尋找“上帝粒子”，就是為了揭開(kāi)質(zhì)量的來(lái)源之謎。
　　人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)，自然界中物質(zhì)之間千差萬(wàn)別的相互作用，可以簡(jiǎn)單劃分為4種力，即引力、電磁力、維持原子核的強(qiáng)作用力和產(chǎn)生放射性衰變的弱作用力。在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論解決了引力問(wèn)題后，人們開(kāi)始嘗試建立一個(gè)統(tǒng)一的模型，以期解釋通過(guò)后3種力相互作用的所有粒子。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究和探索，科學(xué)家們建立起被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”的粒子物理學(xué)理論，它把基本粒子(構(gòu)成物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu))分成3大類：夸克、輕子與玻色子?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”的出現(xiàn)，使得各種粒子如萬(wàn)鳥(niǎo)歸林般擁有了一個(gè)共同的“家園”。但是這一“家園”有個(gè)致命缺陷，那就是該模型無(wú)法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。
　　為了修補(bǔ)上述理論大廈的缺陷，英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯提出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯粒子的存在。20世紀(jì)60年代，希格斯就提出一個(gè)大膽的設(shè)想：宇宙空間彌漫著大量至今未知的一種神秘亞原子粒子，這種在宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的粒子與宇宙中的普通物質(zhì)相互作用并導(dǎo)致了這些物質(zhì)有了質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)有理論，組成物質(zhì)的已知最小單元一夸克本來(lái)是沒(méi)有質(zhì)量的，宇宙大爆炸發(fā)生時(shí)，受一種特別的基本粒子的影響，夸克才開(kāi)始有質(zhì)量。希格斯認(rèn)為，這種粒子平時(shí)無(wú)法察覺(jué)，只有當(dāng)更大的亞原子粒子在極高能量作用下被徹底粉碎時(shí)，才有可能看到它的蹤跡。
　　然而這種粒子就像神話中的獨(dú)角獸一樣難覓蹤影。自1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開(kāi)始，直至如今，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，人類一直孜孜不倦地探索著微觀世界的奧秘。物理學(xué)家們建立了一套稱之為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)模型，使得對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)達(dá)到了幾乎盡善盡美的地步。在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，總共預(yù)言了62種基本粒子，其中的61種都已被驗(yàn)證，唯獨(dú)希格斯粒子始終游離在物理學(xué)家的視野之外。找到這種粒子，就找到建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石，如果證明它不存在，整座大廈就要被推倒重建。
　　
　　“上帝粒子”引發(fā)的爭(zhēng)論
　　
　　“上帝粒子”是否存在，一直在科學(xué)界是個(gè)爭(zhēng)論。一些科學(xué)家們對(duì)于“上帝粒子”的存在一直持有懷疑的態(tài)度?；艚鹪?jīng)下100美元賭注，打賭“上帝粒子”并不存在：“如果未能發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，我想這將更令人興奮。因?yàn)檫@說(shuō)明這些想法是錯(cuò)誤的，我們需要重新思考。無(wú)論大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)或者沒(méi)發(fā)現(xiàn)什么，其結(jié)果都將告訴我們有關(guān)宇宙結(jié)構(gòu)的更多知識(shí)?！眮?lái)自馬里蘭大學(xué)的尼古拉·哈德利也說(shuō)道：“如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)上帝粒子，我們將會(huì)非常高興，這意味著一些新的有趣的理論將會(huì)誕生。就目前而言，上帝粒子被對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的可能性是非常低的?！背艘恍┛茖W(xué)家對(duì)上帝粒子的存在持有懷疑態(tài)度，美國(guó)的原子撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示“上帝粒子”可能并不是一種單一的粒子，而是多種質(zhì)量相似但所帶電荷存在差異的粒子群。
　　
　　為什么會(huì)萍蹤難覓?
　　
　　自從希格斯預(yù)言“上帝粒子”存在以來(lái)，科學(xué)家們就一直試圖在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該粒子從而證實(shí)其存在，但努力均告失敗。如果“上帝粒子”存在，為什么到現(xiàn)在還沒(méi)有找到?原因其實(shí)也很簡(jiǎn)單：希格斯粒子在現(xiàn)在的自然界中是不存在的，只有非常非常高能量的粒子間進(jìn)行相互撞擊，才有可能把希格斯粒子激發(fā)出來(lái)，所以科學(xué)家們猜想它應(yīng)該是在宇宙大爆炸的那一瞬間產(chǎn)生的。它的質(zhì)量一定足夠大，以往使用的粒子對(duì)撞機(jī)能量還不夠大，還不足以把它撞出來(lái)。另一個(gè)困難是，它極不穩(wěn)定，如果確實(shí)存在，它將在碰撞后10億分之一秒的時(shí)間內(nèi)衰變，因此要想捕捉到它極不容易。
　　歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的建成和投入使用，使科學(xué)家們獲得了足夠的信心：由于它所達(dá)到的能量已經(jīng)足夠大，因此這將是一個(gè)判決性實(shí)驗(yàn)。如果真有希格斯粒子存在，它一定能探測(cè)到，不像以往的實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在漏網(wǎng)的可能性；反過(guò)來(lái)的說(shuō)法也成立，如果它仍然不能探測(cè)到希格斯粒子，就說(shuō)明這東西根本不存在。因此，尋找“上帝粒子”成為歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的主要任務(wù)之一。科學(xué)家普遍期望在這一對(duì)撞機(jī)的幫助下，能夠在前所未有的對(duì)撞能量下發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。歐洲核子研究中心的研究人員表示，我們本希望能夠在2011年底前尋找到證實(shí)“上帝粒子”存在的證據(jù)，如果在2012年底前依舊無(wú)法突破，那么我們就需要重新評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)模型中關(guān)于這方面的論述以及“上帝粒子”是否是物理學(xué)最大的成就之一。
　　
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