“上帝粒子”:揭曉一步之遙

邵樂(lè)韻

存在，還是不存在，縈繞在科學(xué)家心頭將近半個(gè)世紀(jì)的“上帝粒子”懸疑或許今年年內(nèi)就能揭曉答案。

“到了年底，根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)，我們將能判斷希格斯玻色子是否存在，或者‘標(biāo)準(zhǔn)模型是否正確?！比鹗课锢韺W(xué)家彼得·詹尼（Peter Jenni）博士曾經(jīng)擔(dān)任歐洲核子研究中心ATLAS國(guó)際實(shí)驗(yàn)合作組的發(fā)言人，日前應(yīng)瑞士聯(lián)邦政府駐華科技文化中心之邀來(lái)中國(guó)作巡回講座。

他告訴《新民周刊》記者，“不管得到哪一種結(jié)果，都將是重要的發(fā)現(xiàn)。如果目前的信號(hào)確實(shí)是希格斯玻色子發(fā)出的，那么接下來(lái)會(huì)越發(fā)明顯。一旦找到了它，現(xiàn)在使用的物理教材就要重寫(xiě)，這對(duì)人類認(rèn)識(shí)自身所在的環(huán)境具有重要意義?！?/p>

詹尼所說(shuō)的希格斯玻色子（Higgs Boson），就是俗稱的“上帝粒子”，也被稱為粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的“最后一塊基石”。只要證實(shí)了這種粒子的存在，就能解釋物質(zhì)如何擁有質(zhì)量，宇宙大爆炸起源論也能自圓其說(shuō)。

正埋頭于粒子撞擊試驗(yàn)和海量數(shù)據(jù)分析的科學(xué)家相信，他們距離證明希格斯玻色子的存在只剩一步之遙。

“在逃”的上帝粒子

在以大爆炸為前提的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型中，137億年前宇宙誕生之初產(chǎn)生了多種構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子，一類是費(fèi)米子（包括夸克和輕子），一類是玻色子（如光子、介子等）。但是，所有粒子開(kāi)始時(shí)都沒(méi)有質(zhì)量，它們是如何聚合成各種其他物質(zhì)，從而形成我們現(xiàn)在所生活的世界的？

20世紀(jì)60年代，英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯提出“希格斯場(chǎng)假設(shè)”：希格斯場(chǎng)由希格斯玻色子組成，雖然它產(chǎn)生后就迅速衰變，但就在這“曇花一現(xiàn)”之間，通過(guò)希格斯場(chǎng)的其他粒子發(fā)生了關(guān)鍵變化——擁有了質(zhì)量！正是因?yàn)橄８袼共Ｉ?，才使恒星、行星、生物的形成成為可能；換而言之，若沒(méi)有它，大千世界將處于原始混沌，宇宙也只是縹緲之物。這就是為何希格斯玻色子會(huì)被稱為“上帝粒子”。物理學(xué)家們還認(rèn)為，宇宙中的暗物質(zhì)或許就是由希格斯玻色子構(gòu)成的。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子，幾十年來(lái)，其他基本粒子均已在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，只剩下希格斯玻色子依舊“在逃”。

詹尼介紹說(shuō)，2000年以前，歐洲核子研究中心里尋找希格斯玻色子的“主力”是歐洲大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP），但在當(dāng)年11月，在經(jīng)過(guò)了11年正常運(yùn)行和3個(gè)月延期運(yùn)行之后，LEP宣布?jí)劢K正寢。歐洲核子研究中心并非唯一的“尋寶者”。在位于美國(guó)伊利諾伊州的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室里，有一臺(tái)叫Tevatron的萬(wàn)億電子伏特粒子加速器，從1987年開(kāi)始運(yùn)行，直到去年9月被關(guān)閉，目前科學(xué)家們正在奮力消化那些對(duì)撞試驗(yàn)產(chǎn)生的海量信息，打撈那枚希格斯“小針頭”。

數(shù)據(jù)積累是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)所在，與此同時(shí)，歐洲同行們則在提高設(shè)備的能級(jí)水平，讓質(zhì)子有足夠的力量相撞，縮小對(duì)希格斯玻色子的搜索范圍。

2008年9月10日，歐洲核子研究中心首次啟動(dòng)了代表世界最高水平的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），其設(shè)計(jì)對(duì)撞能量可達(dá)14萬(wàn)億電子伏特（TeV）。這個(gè)大家伙位于日內(nèi)瓦附近的瑞士和法國(guó)交界處，主要部分安置在一個(gè)周長(zhǎng)為27公里的環(huán)形隧道中，兩束質(zhì)子從它“體內(nèi)”反向發(fā)射，經(jīng)過(guò)層層加速后在加速器的四個(gè)交叉點(diǎn)發(fā)生高能對(duì)撞，以此模擬宇宙大爆炸之后不到1秒時(shí)間內(nèi)發(fā)生的情況。

交叉點(diǎn)有6個(gè)探測(cè)器，用以記錄和測(cè)量粒子碰撞后的結(jié)果。其中比較顯著的是4個(gè)探測(cè)器，分別是ATLAS——尋找新物理規(guī)律以及希格斯粒子和粒子質(zhì)量的起源；CMS——尋找希格斯粒子的同時(shí)，探尋暗物質(zhì)的跡象；ALICE——研究夸克-膠子等離子體；LHCb——研究為什么宇宙中存在物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱。

逼近真相

雖然迄今LHC走走停停了好幾次，但其運(yùn)行能級(jí)在不斷提高。今年4月5日，歐洲核子研究中心宣布，于3月重啟的LHC創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄：兩束各為4萬(wàn)億電子伏的質(zhì)子束，在位于地下100—150米處的隧道內(nèi)發(fā)生高能對(duì)撞，產(chǎn)生的質(zhì)子束總能量從之前的7萬(wàn)億電子伏增加到了8萬(wàn)億電子伏！這意味著，可能產(chǎn)生的希格斯玻色子數(shù)量將大大增加。

但是，隨之而來(lái)的背景噪聲干擾和希格斯玻色子信號(hào)混淆的可能性也大大增多。因此，LHC還需要更充裕的時(shí)間才能搜集足夠多的數(shù)據(jù)。“尋找希格斯玻色子只是主要任務(wù)之一，其他目的還包括尋找超對(duì)稱粒子、夸克的次級(jí)結(jié)構(gòu)等。我們剛剛進(jìn)入LHC運(yùn)行的第三年，而這個(gè)項(xiàng)目是要持續(xù)20年的！”詹尼說(shuō)，LHC將于今年11月停止運(yùn)行，然后技術(shù)停機(jī)20個(gè)月，2014年下半年重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子束流加速至最高設(shè)計(jì)能量。

其實(shí)過(guò)去幾年，媒體上出現(xiàn)過(guò)幾波發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”存在信號(hào)的報(bào)道，雖然都很微弱，卻有步步逼近的趨勢(shì)。今年3月，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家稱，根據(jù)過(guò)去數(shù)年積累的數(shù)據(jù)分析，他們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子可能存在的信號(hào)：其質(zhì)量在大約125千兆電子伏范圍附近——這一位置也恰好是理論計(jì)算中認(rèn)為希格斯玻色子應(yīng)當(dāng)具備的能量范圍。

重要的是，過(guò)去費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和歐洲核子研究中心的數(shù)據(jù)總是不一致，而這一回，他們的結(jié)果與歐洲科學(xué)家去年12月發(fā)現(xiàn)峰值的區(qū)域大致相似?？茖W(xué)家們樂(lè)觀認(rèn)為，勝利曙光就在眼前。

萬(wàn)一“上帝粒子”不存在怎么辦？詹尼說(shuō)，不能因此就認(rèn)為L(zhǎng)HC的實(shí)驗(yàn)失敗了，證實(shí)或排除上帝粒子的存在，任一結(jié)果都將是激動(dòng)人心的?！叭绻系哿Ｗ硬淮嬖?，標(biāo)準(zhǔn)模型之說(shuō)就要被打破，重新解釋宇宙的產(chǎn)生。要是捕捉到了‘上帝粒子，那么標(biāo)準(zhǔn)模型假說(shuō)中懸而未解的部分就能被揭開(kāi)面紗。”

成立于1954年的歐洲核子研究中心最初由12個(gè)歐洲國(guó)家發(fā)起，如今已有20個(gè)成員國(guó)，以及眾多合作伙伴。研究項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)由成員國(guó)及基金會(huì)支付。“這是全球性的項(xiàng)目，確實(shí)耗費(fèi)巨大，但你要看到，這筆錢支持著1萬(wàn)多名來(lái)自世界各地的物理研究人員的工作?！备鶕?jù)詹尼提供的歐洲核子研究中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有95人來(lái)自中國(guó)大陸，67人來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。與ATLAS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有合作的中方伙伴包括中科院高能物理研究所、南京大學(xué)、山東大學(xué)及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

2009年，根據(jù)美國(guó)小說(shuō)家丹·布朗小說(shuō)改編的電影《天使與魔鬼》勾起了大眾對(duì)LHC和反物質(zhì)的好奇心。電影中，藏在歐洲核子研究中心機(jī)密實(shí)驗(yàn)室的反物質(zhì)被偷竊，如果不能及時(shí)找到，反物質(zhì)裝置爆炸，整個(gè)梵蒂岡就有灰飛煙滅的危險(xiǎn)……

現(xiàn)實(shí)生活中，也曾有人懷疑LHC是否會(huì)制造出一個(gè)黑洞引發(fā)地球毀滅。雖然歐洲核子研究中心確實(shí)在2010年首次捕獲了反物質(zhì)，但實(shí)驗(yàn)室的工作沒(méi)有那么“好萊塢”，科學(xué)家們所做的只是模擬一個(gè)微觀世界，從中一窺宇宙奧秘，其能量與宇宙大爆炸的真實(shí)情景也遠(yuǎn)不可相提并論。

不管怎樣，2012年對(duì)于粒子物理學(xué)家們而言將是一個(gè)令人興奮的年份。

彼得·詹尼博士

1948年出生于瑞士，1973年獲伯爾尼大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位，1976年獲瑞士聯(lián)邦工學(xué)院博士學(xué)位。1980年他就職于歐洲核能研究組織，并參與質(zhì)子同步加速器對(duì)撞機(jī)UA2實(shí)驗(yàn)（參與發(fā)現(xiàn)噴注和W/Z玻色子的研究）。

1984年他對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并擔(dān)任了大量的管理工作和合作事宜。1995年，彼得·詹尼當(dāng)選為ATLAS國(guó)際實(shí)驗(yàn)合作組的發(fā)言人，直至2009年卸任。ATLAS現(xiàn)有3000多位科學(xué)家，他們來(lái)自38個(gè)國(guó)家的174個(gè)研究機(jī)構(gòu)。