發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”

云凡

今年7月4日，位于日內(nèi)瓦的歐洲原子核能中心向全世界宣布，找到一種新亞原子粒子，這種粒子與之前預(yù)言構(gòu)成質(zhì)量的“上帝粒子”即希格斯玻色子特征一致。對于物理學家來說，這次發(fā)現(xiàn)就像“哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸”。

“上帝粒子”為什么是質(zhì)量之源？

物質(zhì)有質(zhì)量，這是眾所周知的事實。問題是，物質(zhì)為什么有質(zhì)量？這個問題牽扯到粒子物理學?？茖W家認為，自然界中物體之間的相互作用可劃分為4種力：引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用。在愛因斯坦相對論解決了引力問題后，人們開始嘗試建立統(tǒng)一的模型，以期解釋通過后3種力相互作用的所有粒子。為此，科學家建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學理論，該理論把基本粒子分成3大類：夸克、輕子和玻色子。但這個標準模型有個缺陷：無法解釋物質(zhì)質(zhì)量來源等問題。

為了修補這一理論的缺陷，1964年，英國愛丁堡大學物理學家希格斯提出“希格斯場”的存在，并進而預(yù)言希格斯玻色子的存在。希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，并沒有希格斯玻色子（也稱希格斯粒子）的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫沖直撞。宇宙誕生十幾秒后，希格斯粒子誕生，形成了“希格斯場”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發(fā)生碰撞后，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質(zhì)量，而速度就慢下來了。慢下來的基本粒子“夸克”在強相互作用下，抱團組成了質(zhì)子、中子等粒子，質(zhì)子和中子又組成了原子核，原子核與電子在電磁力作用下又形成了原子，原子構(gòu)成分子，由此形成了我們所見到的大千世界。如果沒有希格斯粒子，其他的基本粒子就會仍然以光速運行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質(zhì)，生命也無從談起。所以，希格斯玻色子又被稱為“上帝粒子”。

可是就是這樣一個叫人匪夷所思的模型，它的更神奇之處在于，基于這個理論的很多預(yù)言居然被一個又一個激動人心的實驗證實了。1995年3月2日，美國費米實驗室向全世界宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時，“標準模型”所預(yù)言的62個基本粒子中的61個都已經(jīng)得到了實驗數(shù)據(jù)的支持與驗證，看上去“標準模型”馬上就要獲得決定性的勝利，但是仍然有一個粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個幽靈，這就是希格斯粒子。

尋找“上帝粒子”的歐洲強子對撞機

為了尋找希格斯粒子，美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器運行了26年，期間發(fā)現(xiàn)了新粒子“頂夸克”，也逐漸逼近了希格斯粒子的“活動范圍”，但希格斯粒子仍難覓蹤影。為什么尋找希格斯粒子這么難？原因其實也很簡單：一個困難是，它極不穩(wěn)定，如果確實存在，它將在碰撞后10億分之一秒的時間內(nèi)衰變，因此要想捕捉到它極不容易。 其次，科學家認為，“上帝粒子”的質(zhì)量非常大，因此需要能量足夠大的對撞機把它撞出來。歐洲核子研究中心1994年開始設(shè)計興建歐洲大型強子對撞機。2008年歐洲大型強子對撞機正式建成。

位于歐洲原子核能中心的大型強子對撞機是世界上最大的實驗裝置，它深埋在法國和瑞士的地下100米處，周長27千米。從外觀上看，強子對撞機就像個巨大的管道，它發(fā)射出質(zhì)子，使其以接近光速的速度撞擊，從而得到撞擊時釋放出的電子、光子、夸克，以及偶爾撞出的希格斯粒子。這一刻就像宇宙大爆炸之后，釋放大量能量和基本粒子，冷卻后形成組成物質(zhì)的質(zhì)子和中子，希格斯粒子就有可能產(chǎn)生在其中。由于希格斯粒子很容易衰變成其他粒子，這些粒子又會進一步衰變成別的粒子，使得尋找希格斯粒子耗時耗力。

歐洲強子對撞機的建成和投入使用，已經(jīng)使科學家們獲得了足夠的信心：由于它所達到的能量已經(jīng)足夠大，因此這將是一個判決性實驗——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探測到，不像以往的實驗設(shè)備存在漏網(wǎng)的可能性；反過來的說法也成立，如果它仍然不能探測到希格斯粒子，就說明這東西根本不存在。

然而通過強子對撞機產(chǎn)生上帝粒子并沒有那么容易——每1萬億次的質(zhì)子對撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯粒子。更加困難的是，這種粒子一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，因此要想捕捉到它需要進行足夠次數(shù)的相撞，并進行海量數(shù)據(jù)分析。歐洲強子對撞機自2010年開始高能量運作之后，兩個探測器都屢次觀測到了希格斯粒子存在的跡象。經(jīng)過了足夠多次數(shù)的觀測，歐洲原子核能中心最終確信自己已經(jīng)找到了“上帝粒子”。兩座各自獨立的實驗室都發(fā)現(xiàn)了這種亞原子粒子，質(zhì)量范圍在125吉電子伏特至126吉電子伏特之間。兩家實驗室都宣布，數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計確定性為5西格瑪，或5標準差。5西格瑪，換算成統(tǒng)計誤差率，大約為0.00006%。在粒子物理學界，若要證實某一發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計確定性需要達到5標準差；若要作為證據(jù)，統(tǒng)計確定性必須達到3標準差。所以現(xiàn)在說是“接近發(fā)現(xiàn)”。

發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”只是新的開始

“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)是“標準模型”最重要的實驗證明。但即便希格斯粒子的終于發(fā)現(xiàn)填補上了物理學“標準模型”的最后一塊拼圖，仍不意味著粒子物理學畫上圓滿的句號。發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，只是穩(wěn)固了既有理論體系的基礎(chǔ)，證明了“標準模型”理論的可靠性，而在“標準模型”的基礎(chǔ)上，科學家尋求最終的大一統(tǒng)的物理理論，還有很長的路要走。這是因為，物理學“標準模型”本身也并非解釋物質(zhì)世界一切奧秘的“終極理論”。盡管物理學“標準模型”解釋了電磁力和強核力之類的基本作用力，但由于引力的作用實在太過微弱，到目前為止，一切試圖將引力統(tǒng)一到“標準模型”內(nèi)的努力都失敗了。另外，對于暗能量、中微子質(zhì)量、物質(zhì)與反物質(zhì)不平行等領(lǐng)域，“標準模型”也無能為力。這些將涉及更高層面的統(tǒng)一理論和更高維度、更高能量，甚至弦理論。

在“標準模型”之外，早就有科學家提出了“超對稱理論”、“弦理論”等理論，能夠解決這些“標準模型”所不能解釋的問題。比如對于引力，弦理論解釋稱，我們只感受到了一小部分引力，引力絕大多數(shù)都作用在隱藏的其他維度之中。在對更“大一統(tǒng)”理論的尋求中，希格斯粒子也將起到舉足輕重的作用。對希格斯粒子量子屬性的研究，可進一步修正“標準模型”的缺陷，對新的理論的提出貢獻現(xiàn)實依據(jù)。研究表明，我們目前所認知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物質(zhì)占了23%，還有73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。而希格斯粒子既可能與“標準模型”中的基本粒子相互作用，也可能會與詭秘的大質(zhì)量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質(zhì)。這在近期天文物理學研究領(lǐng)域里，是很重要的論題。發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”將打開宇宙另外96％的新層面。

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歐洲強子對撞機的主要任務(wù)

歐洲強子對撞機的主要任務(wù)是揭開以下五大科學之謎。

1.牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量？

質(zhì)量的起源是什么？為什么微小粒子擁有質(zhì)量，而其他一些粒子卻沒有這種“待遇”？對于這個問題，最有可能的解釋似乎可以在希格斯粒子身上找到。目前，科學家終于看到了它的廬山真面目。

2. 96%的宇宙由什么構(gòu)成？

我們在宇宙中看到的一切——從小螞蟻到巨大的星系——都是由普通粒子構(gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4%的宇宙。余下的部分由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們對于整個宇宙的構(gòu)成與運行有著極其重要的作用。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當今粒子物理學和宇宙學面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

3.為什么找不到反物質(zhì)？

我們生活在一個由物質(zhì)構(gòu)成的世界，宇宙萬物——包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)都是由物質(zhì)構(gòu)成的。反物質(zhì)就像物質(zhì)的一個孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時，“大爆炸”產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，一旦這對孿生兄弟碰面，它們就會“同歸于盡”，并最終轉(zhuǎn)換成能量。不知何故，少量物質(zhì)幸存下來，并形成我們現(xiàn)在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質(zhì)卻幾乎消失得無影無蹤。為什么大自然不能一碗水端平，平等對待這對孿生的兄弟呢？

4.“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)？

構(gòu)成宇宙萬物的物質(zhì)來源于一系列密集而熾熱的基本粒子?，F(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子是由原子核及繞核運轉(zhuǎn)的電子組成的。而原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，質(zhì)子和中子都是被稱之為“膠子”的其他粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說的“夸克-膠子等離子體”。 科學家將利用大型強子對撞機模擬大爆炸發(fā)生后的原始宇宙形態(tài)，分析夸克-膠子等離子體的性質(zhì)。

5.空間的額外維度真的存在嗎？

根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，人類生存的三維空間加上時間軸即構(gòu)成所謂四維時空。后來的理論認為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類觀察到，它們似乎會在高能條件下顯現(xiàn)出來?；谶@種推測，科學家將對所有探測器獲得的數(shù)據(jù)進行仔細分析，以尋找額外維度存在跡象。

【責任編輯】蒲 暉