“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)

陳方正

7月4日是個(gè)值得紀(jì)念的日子，因?yàn)檫@天歐洲核子研究中心（CERN）正式宣布，通過“大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”(Large Hadron Collider, LHC)上的兩個(gè)不同實(shí)驗(yàn)，他們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子(Higgs boson)。那是數(shù)十年來物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的突破，因?yàn)樵诿枋鑫镔|(zhì)最深層結(jié)構(gòu)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”（standard model）中，它是賦予其他基本粒子以質(zhì)量的關(guān)鍵，也是這模型中最后一塊拼圖板。它的發(fā)現(xiàn)倘若能夠得到確認(rèn)，那么這模型的一個(gè)奇特構(gòu)想就會(huì)被證實(shí)，人類對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索，也將進(jìn)入新階段。但大自然探索歷來充滿意外和驚奇，所以LHC到底會(huì)顯示些什么，其實(shí)仍在未知之?dāng)?shù)。

“標(biāo)準(zhǔn)模型”的成功

“標(biāo)準(zhǔn)模型”是什么意思呢？這得從物質(zhì)的三個(gè)微觀層次說起。大家都知道，可見、可感觸的宏觀世界，其實(shí)是由分子和原子構(gòu)成，那是第一個(gè)微觀層次，它的尺度是微米（10-6m）至納米(10-9m)。其后物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，原子是由電子和原子核構(gòu)成，原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成；電磁波是光子，粒子“衰變”時(shí)會(huì)產(chǎn)生中微子(neutrino)，與電子對(duì)應(yīng)的，還有所謂“正電子”（positron），等等。這樣，他們打開了微觀世界的第二個(gè)層次，它的尺度是納米至費(fèi)米（1F =10-15m），在其中最少有6種粒子。它們所服從的規(guī)律，是量子力學(xué)和量子場論；它們之間的作用力，有經(jīng)由光子傳遞的“電磁作用”，和原子核內(nèi)部的所謂“強(qiáng)作用”和“弱作用”。對(duì)這層次的深刻了解，從上世紀(jì)50年代開始導(dǎo)致了大量新工業(yè)的發(fā)展，和科學(xué)各領(lǐng)域的飛躍進(jìn)步：它徹底改變了世界。

但強(qiáng)作用和弱作用是如何傳遞，服從什么規(guī)律呢？這就牽涉上述粒子本身結(jié)構(gòu)的問題，它困擾了物理學(xué)家三四十年。最后，他們終于發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)更深一層，也就是第三層微觀結(jié)構(gòu)，它的尺度是費(fèi)米至毫費(fèi)米（10-18m）。對(duì)此結(jié)構(gòu)的理解就是所謂“標(biāo)準(zhǔn)模型”，它是在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合前一階段所發(fā)展的量子場論、群論和楊振寧在50年代所提出的規(guī)范場理論三者而建構(gòu)的，大致包含以下要素。

（1）質(zhì)子和中子合稱強(qiáng)子(hadron)，它由稱為“夸克”(quark)的基本粒子組成；夸克最少有6種，分別以上(u)、下(d)兩“味”(flavor)，和紅、綠、藍(lán)三“色”(color)來分辨。

（2）電子和中微子合稱輕子（lepton），它本身就是基本粒子?？淇撕洼p子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。

（3）傳遞基本粒子之間相互作用的，統(tǒng)稱“規(guī)范場玻色子”(gauge boson)。它們包括兩大類：傳遞“強(qiáng)作用”，也就是把夸克結(jié)合成為強(qiáng)子的，是8種“膠子”(gluon)。傳遞“電磁作用”與“弱作用”（它們合稱“電弱作用”）的，是4種介子，即光子和80年代發(fā)現(xiàn)的Z、W+、W-粒子。

（4）上述規(guī)范場玻色子本來沒有質(zhì)量（這里指靜止質(zhì)量），但由于第五種介子，即希格斯粒子的特殊作用（這稱為“希格斯機(jī)制”），Z和W+、W-等3種介子獲得了巨大質(zhì)量，它們所傳遞的弱作用因此成為“短程”，而且在低能量區(qū)變得相對(duì)微弱，因此好像變得和電磁作用完全不一樣了。此外，夸克和輕子的質(zhì)量（它們的差異極大，最多達(dá)到幾萬倍）很可能也都是通過希格斯機(jī)制產(chǎn)生——也就是說，希格斯粒子是一切基本粒子的質(zhì)量之源。但在目前，這還只是一種想法，一個(gè)希望而已。

（5）最后，上述的結(jié)構(gòu)在理論上完整，但實(shí)際上并不完全，因?yàn)槌艘陨弦唤M8顆基本粒子（6顆夸克，兩顆輕子，反粒子不計(jì)）以外，居然還有性質(zhì)、結(jié)構(gòu)完全相同，但相應(yīng)質(zhì)量卻更大的兩個(gè)“復(fù)制組”。就輕子而言，這包括mu粒子及其對(duì)應(yīng)中微子，和tau粒子及其對(duì)應(yīng)中微子；就夸克而言，這包括“異(strange)、粲(charm)”和“頂(top)、底(bottom)”這兩對(duì)，而且它們同樣各有“三色”。因此，每個(gè)復(fù)制組同樣有6顆夸克，兩顆輕子，但它們都是高度不穩(wěn)定的（中微子除外）。這樣，所謂“基本粒子”的總數(shù)就不是1組8顆，而變?yōu)?組24顆了。為何它們需要自我“復(fù)制”兩次？是否還有質(zhì)量更高，但迄今未曾發(fā)現(xiàn)的其他“復(fù)制組”？這問題至今還無人能解。

在過去30年間，上述“標(biāo)準(zhǔn)模型”獲得了巨大成功：它能夠應(yīng)用少數(shù)物理常數(shù)，相當(dāng)準(zhǔn)確和全面地解釋處于1Gev (109ev，1ev=1.6×10-19焦耳能量) 至1Tev (1012ev) 之間的大量高能粒子現(xiàn)象，例如計(jì)算粒子的散射、產(chǎn)生，以及強(qiáng)子的質(zhì)量、衰變等等，甚至還能說明夸克為何不能夠在強(qiáng)子以外獨(dú)立存在（所謂“幽禁”），但在其內(nèi)部卻又處于自由狀態(tài)（所謂“漸近自由”）等特殊現(xiàn)象。特別是，70年代發(fā)現(xiàn)粲與反粲夸克所形成的J/ψ粒子，80年代發(fā)現(xiàn)W和Z介子，1995年發(fā)現(xiàn)頂夸克等等，都證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型根據(jù)群論所預(yù)先構(gòu)想的結(jié)構(gòu)，因而轟動(dòng)一時(shí)。

物理學(xué)界的嚴(yán)峻問題

頂夸克是在美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。這對(duì)撞機(jī)的原理是，在圓周6.3公里的超高真空管道中，將質(zhì)子束和反質(zhì)子束各加速到1Tev，然后令它們以統(tǒng)共2Tev的能量對(duì)撞，并以高速探測(cè)器和電子計(jì)算機(jī)分析所產(chǎn)生的結(jié)果。其后，物理學(xué)家繼續(xù)在此機(jī)上努力搜索希格斯粒子，但由于它能量不足，粒子束流量不夠大，一直沒有決定性結(jié)果。所以，從將近20年前開始，高能粒子物理學(xué)已經(jīng)逐漸停頓下來，“標(biāo)準(zhǔn)模型”能夠解釋的現(xiàn)象，就以能量2Tev為上限。

打破這悶局的，是2010年開始運(yùn)轉(zhuǎn)的CERN大對(duì)撞機(jī)LHC。它的前身是1989年落成的電子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LEP，后者周長27公里，深入地下100米的圓形隧道為LHC承受，被改用作質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。此機(jī)1998年動(dòng)工，10年后落成，正式運(yùn)轉(zhuǎn)以來，初步達(dá)到的總能量是8Tev（至終將達(dá)到16Tev），也就是美國Tevatron的4倍，而粒子流則是后者的25倍—這些巨大改進(jìn)，是以造價(jià)9倍于后者（美元90億與10億之比）得來的。這也就是為何LHC開動(dòng)僅僅兩年之后，就已經(jīng)初步找到希格斯粒子，測(cè)定其質(zhì)量為125Gev，并且將結(jié)果是統(tǒng)計(jì)誤差所致的可能性減縮到百萬分之一以下。

不過，CERN的宣布很謹(jǐn)慎，說要待今秋或者年底才能夠正式發(fā)表結(jié)果。這除了要進(jìn)一步增加事例以改進(jìn)統(tǒng)計(jì)，和確定質(zhì)量以外，當(dāng)還要分析所發(fā)現(xiàn)粒子的其他特征，例如自旋、對(duì)稱性、衰變方式等等，看是否和預(yù)期相符。因?yàn)槟壳八l(fā)現(xiàn)的，到底是標(biāo)準(zhǔn)模型中單一的希格斯粒子，抑或如另類理論所預(yù)言的其他“多重希格斯粒子”之一，那還有待研究。無論如何，只要這發(fā)現(xiàn)并非統(tǒng)計(jì)上的“誤判”，那么即使有意外結(jié)果，也只表明“標(biāo)準(zhǔn)模型”和現(xiàn)實(shí)有差距而已— 而那正是物理學(xué)家熱切等待的。因此，LHC可以說是“旗開得勝”，已經(jīng)證明它的價(jià)值了。

不過，這也就引出好些問題來。最明顯的是，為何Tevatron能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量更高（175Gev）的頂夸克，卻要待LHC才能夠找到質(zhì)量較低（125Gev）的希格斯粒子？答案是，兩者在粒子流量上有很大差距，這有點(diǎn)像在黑夜中尋找目標(biāo)，用手電和用探射燈不可相提并論。更重要的是，雖然兩個(gè)對(duì)撞機(jī)都有足夠能量產(chǎn)生希格斯粒子，但產(chǎn)生的可能性在8Tev碰撞能量要比在2Tev大得多。這又有點(diǎn)像用特定光譜的探射燈能夠激活特殊目標(biāo)發(fā)出熒光一樣。

其次，找到了希格斯粒子又如何？這比較難以回答。倘若一切都如標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)料，那么粒子物理學(xué)家只好承認(rèn)，太陽之下再無新事物，他們面臨失業(yè)了。但這種可能性是不大的，比之Tevatron，LHC的能量極限足足提高了8倍。從經(jīng)驗(yàn)可知，在這么寬廣的新能量區(qū)，必然會(huì)有大量激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。令物理學(xué)家憂心忡忡的，反而是短短幾年后，這新能量區(qū)的所有秘密都將大白于天下，屆時(shí)何以為繼呢？在過去大半個(gè)世紀(jì)，歐美政府對(duì)粒子物理學(xué)的支持非常堅(jiān)定和慷慨，所以每一部前緣加速器、對(duì)撞機(jī)完成使命之后，必然會(huì)有下一代機(jī)器“接棒”。但1993年底發(fā)生了變故，當(dāng)時(shí)美國政府決定取消造價(jià)可能遠(yuǎn)超百億美元，能量設(shè)計(jì)為40Tev的“超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)”SSC，那本來是要為LHC接棒的。這樣，后者剛剛誕生，就已經(jīng)面臨“絕種”危機(jī)了。

這還帶來了最后一個(gè)問題。第三層微觀世界的結(jié)構(gòu)雖然奧妙無窮，但迄今為止，卻沒有任何可預(yù)見的現(xiàn)實(shí)意義，它的探索，似乎純粹在于滿足人類好奇心而已。各國政府愿意撥出龐大資源來支持它，無疑和原子與核物理學(xué)的巨大力量有密切關(guān)系。但現(xiàn)在公眾對(duì)粒子物理學(xué)的信心和耐心退潮了，SSC的夭折就是明確信號(hào)。因此，物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索到底是否還有前途，在2020年之前勢(shì)將成為物理學(xué)界不可回避的嚴(yán)峻問題。