解讀2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：什么是希格斯粒子

2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予彼得·W·希格斯（PeterW.Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran.oisEnglert），以表彰他們對(duì)希格斯玻色子（又稱“上帝粒子”）所做的預(yù)測(cè)。那么，到底什么是希格斯玻色子呢？

希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是說，理論上認(rèn)為它應(yīng)當(dāng)是構(gòu)成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)?？茖W(xué)家們提出的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會(huì)擁有質(zhì)量。根據(jù)這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場(chǎng)和與之相對(duì)應(yīng)的粒子——希格斯-玻色子一同形成。正是這個(gè)場(chǎng)賦予其它基本粒子以質(zhì)量的屬性。

為何這一粒子如此重要？

希格斯場(chǎng)賦予整個(gè)宇宙中其它粒子以質(zhì)量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力來做比喻。如果粒子沒有質(zhì)量，它們便可以在宇宙中以光速前進(jìn)，因?yàn)橘|(zhì)量的本質(zhì)便是對(duì)物體改變其速度的制約性。

這種粒子最早是什么時(shí)候被提出來的？

有關(guān)這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學(xué)家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的皮特·希格斯（PeterHiggs）教授。他們當(dāng)時(shí)提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。

理論上，這一粒子的存在將正好補(bǔ)全描述整個(gè)宇宙如何運(yùn)行的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。

如何對(duì)其進(jìn)行搜尋？

歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是人類有史以來建造的最強(qiáng)大的粒子加速器，它的工作原理是將兩束質(zhì)子流以接近光速的速度迎頭相撞，在此過程中得到其它粒子。

在1989年至2000年之間，科學(xué)家們也曾使用同樣位于歐洲核子中心的另一臺(tái)加速器LEP進(jìn)行搜尋工作，而由于經(jīng)費(fèi)不足被關(guān)停之前，美國的Tevatron加速器也進(jìn)行過對(duì)這一神秘粒子的搜尋工作。

科學(xué)家們?nèi)绾文苤雷约壕烤故欠癜l(fā)現(xiàn)了這樣的粒子呢？

如果在LHC加速器中進(jìn)行的數(shù)以十億計(jì)的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中真的產(chǎn)生了希格斯-玻色子，根據(jù)預(yù)測(cè)，它應(yīng)當(dāng)是不穩(wěn)定的，會(huì)迅速衰變?yōu)楦臃€(wěn)定，質(zhì)量更小的粒子。物理學(xué)家們需要對(duì)這些衰變產(chǎn)物進(jìn)行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。在分析過程中，希格斯粒子是否存在會(huì)從數(shù)據(jù)圖形的峰值中體現(xiàn)出來。

六點(diǎn)重大影響：

1.揭開質(zhì)量起源之謎

物體的質(zhì)量是怎么來的？這個(gè)問題一直困擾物理學(xué)界，而希格斯玻色子恰恰被認(rèn)為與宇宙中一切物體的質(zhì)量起源有關(guān)。希格斯玻色子與一種場(chǎng)有關(guān)，那就是所謂的希格斯場(chǎng)，理論上認(rèn)為這種場(chǎng)充斥著整個(gè)宇宙。當(dāng)宇宙中的其它粒子在這一場(chǎng)中運(yùn)行時(shí)便獲得了質(zhì)量的屬性。這就有點(diǎn)像是大家都在一個(gè)游泳池里游泳，然后身上都會(huì)被打濕，在這里，被水打濕就像是物體獲得質(zhì)量一樣。

美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家杰奧·哥斯達(dá)（JoaoGuimaraesdaCosta）表示：“希格斯粒子的機(jī)制讓我們能夠理解粒子獲得質(zhì)量的途徑和方式?！备缢惯_(dá)是去年歐洲核子中心宣布疑似希格斯粒子發(fā)現(xiàn)時(shí)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）所屬ATLAS探測(cè)器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)模型召集人。他說：“如果沒有這種機(jī)制，那么所有的一切物體都將失去質(zhì)量?！?/p>

確認(rèn)此次發(fā)現(xiàn)的粒子確實(shí)是希格斯粒子將證明我們?cè)O(shè)想的粒子獲得質(zhì)量屬性的方式是正確的。美國加州理工學(xué)院物理學(xué)教授瑪利亞？斯皮羅普魯（MariaSpiropulu）表示：“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)從量子層面支持了我們對(duì)于質(zhì)量來源的看法，而這正是我們當(dāng)初建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的目的。這是一項(xiàng)無與倫比的成就?！?/p>

而后，這將進(jìn)一步為一個(gè)更深層次的問題提供解決的線索，那就是：為什么這些粒子擁有這一質(zhì)量數(shù)值？這個(gè)值是如何確定的？對(duì)此，哈佛大學(xué)物理學(xué)家麗薩·蘭德爾（LisaRandall）表示：“這是一個(gè)大得多的問題。確認(rèn)這的確是希格斯粒子只是整個(gè)過程的第一步，此后我們才能更往前走，這兩者之間是相互聯(lián)系的?！?/p>

2.完善標(biāo)準(zhǔn)模型

標(biāo)準(zhǔn)模型是當(dāng)代粒子物理學(xué)的基石，它描述了整個(gè)宇宙中所有的粒子。所有被標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的粒子此前都已經(jīng)被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣布初步結(jié)果時(shí)，歐洲核子中心ATLAS實(shí)驗(yàn)設(shè)備科學(xué)家喬納斯·斯蘭德伯格（JonasStrandberg）就曾表示：“這是標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的一環(huán)，因此如果這一發(fā)現(xiàn)得到最終確認(rèn)，那么它將最終證明我們目前的認(rèn)識(shí)是正確的?！?/p>

到目前為止，科學(xué)家們所發(fā)現(xiàn)的這一疑似希格斯粒子似乎和標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的性質(zhì)相吻合。但即便如此，標(biāo)準(zhǔn)模型本身也并不完整：例如它沒有包括引力，也沒有將被認(rèn)為占據(jù)整個(gè)宇宙物質(zhì)總量約98%的暗物質(zhì)成分考慮進(jìn)去。

美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室CMS中心的物理學(xué)家帕提·麥克布雷德（PattyMcBride）在上周四表示：“即便有證據(jù)清晰地證明目前我們新發(fā)現(xiàn)的這一粒子確確實(shí)實(shí)就是標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的希格斯玻色子，即便如此我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)仍然模糊不清?！彼f：“我們?nèi)匀徊荒芾斫鉃楹我θ绱宋⑷酰覀冞€要面對(duì)巨大的暗物質(zhì)的存在。不過，對(duì)于這一已經(jīng)有48年歷史的經(jīng)典理論來說，邁出了完善的第一步仍然不失為一件令人高興的事?！?/p>

3.電弱相互作用

確認(rèn)希格斯粒子還將對(duì)電弱相互作用的構(gòu)建產(chǎn)生重要影響。這種作用是對(duì)電磁作用與弱相互作用的統(tǒng)一描述，這兩者都是自然界的基本力類型之一。電磁作用描述帶電粒子之間的相互作用，而弱相互作用則描述放射性衰變過程。

自然界中所有力的作用都和某種粒子有關(guān)。比如與電磁力有關(guān)的粒子是光子，這是一種質(zhì)量為零的特殊粒子。而弱相互作用力則和名為W和Z的玻色子有關(guān)，這兩種粒子都擁有很高的質(zhì)量值。而所有這些粒子的質(zhì)量來源，便被認(rèn)為是希格斯玻色子的作用造成的。

歐洲核子中心的斯蘭德伯格表示：“如果引入希格斯場(chǎng)的概念，那么W和Z玻色子就會(huì)和這個(gè)場(chǎng)混雜在一起，在這一過程中它們便獲得了質(zhì)量。”他說：“這解釋了為何W和Z玻色子會(huì)有質(zhì)量，并將電磁作用和弱相互作用兩種基本力統(tǒng)一了起來，構(gòu)成電弱相互作用。”

4.超對(duì)稱理論

超對(duì)稱理論也將受到希格斯粒子發(fā)現(xiàn)的影響。這一理論認(rèn)為任何一種已知的粒子都有一個(gè)“超級(jí)伙伴”粒子，這種伙伴粒子擁有輕微差異的性質(zhì)。超對(duì)稱理論擁有很大的吸引力，因?yàn)樗梢越y(tǒng)一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭開暗物質(zhì)構(gòu)成之謎。然而到目前為止這一理論的前景黯淡，科學(xué)家們只找到了和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子性質(zhì)極其相似的粒子，但是卻沒有能發(fā)現(xiàn)任何和超對(duì)稱粒子有關(guān)的線索。

5.大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設(shè)備率屬于歐洲核子研究中心（CERN），其目的是創(chuàng)建地球上能級(jí)最強(qiáng)大的粒子加速器設(shè)施。而其中找出希格斯玻色子則被列為了該設(shè)備的最優(yōu)先目標(biāo)之一。此次最新宣布的結(jié)果為L(zhǎng)HC此前的結(jié)果提供了強(qiáng)有力的證明，也是對(duì)此前一直在這里為達(dá)成這一目標(biāo)而忘我工作的物理學(xué)家們所取得豐碩成果的最好證明。

斯皮羅普魯在去年的一份聲明中表示：“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)從量子層面支持了我們對(duì)于質(zhì)量來源的看法，而這正是我們當(dāng)初建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的目的。這是一項(xiàng)無與倫比的成就?！彼f：“科學(xué)家們已經(jīng)等待了整整一代人的時(shí)間，為的就是這一刻。來自全世界各地大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的粒子物理學(xué)家，工程師和技術(shù)人員們已經(jīng)為了達(dá)成今天的這一成就奉獻(xiàn)了數(shù)十年的辛勤工作?，F(xiàn)在是時(shí)候讓我們暫時(shí)停下腳步，回過頭去審視這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意義了，然后再繼續(xù)進(jìn)行海量的數(shù)據(jù)收集和分析工作。”

希格斯玻色子最早是在1964年由英國物理學(xué)家皮特·希格斯和同事們提出的。而這個(gè)名字的后半部分則是為了紀(jì)念杰出的已故印度物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家玻色，他與愛因斯坦一同給出了玻色子的定義。玻色子是一類基本粒子，主要包括膠子和引力子等。其負(fù)責(zé)傳遞費(fèi)米子之間的相互作用，如夸克，電子和中微子等等。費(fèi)米子是宇宙中的另外一種基本粒子類型。

6.宇宙的命運(yùn)

希格斯玻色子的確認(rèn)將為科學(xué)家們開啟一扇大門，讓他們得以進(jìn)行此前無法進(jìn)行的一些計(jì)算。其中一些計(jì)算的結(jié)果有關(guān)宇宙的命運(yùn)。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙將在未來數(shù)十億年內(nèi)毀滅。

在進(jìn)行這樣的計(jì)算時(shí)，希格斯玻色子本身的質(zhì)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，它預(yù)示了時(shí)空的未來命運(yùn)。目前的測(cè)量值顯示，希格斯玻色子的質(zhì)量約為質(zhì)子的126倍，這一質(zhì)量值幾乎已經(jīng)處在了一個(gè)臨界點(diǎn)上，它將有可能讓宇宙在未來數(shù)十億年內(nèi)走向毀滅。

約瑟夫·林肯（JosephLykken）是美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家，他表示：“計(jì)算的結(jié)果告訴我們，在數(shù)十億年之后宇宙將可能面臨災(zāi)難。”他說：“這或許意味著我們所生活于其中的這個(gè)宇宙本身存在著內(nèi)在的不穩(wěn)定性，在數(shù)十億年之后這一切都將歸于瓦解?！?/p>

基本粒子質(zhì)量之源

若沒有希格斯粒子，其他基本粒子就會(huì)仍以光速運(yùn)行，宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，不能組成物質(zhì)，生命無從談起。

希格斯粒子究竟是什么？為什么找到它如此重要？

早在2000多年前，人類便開始追問，我們所生活的世界是怎樣形成的？從德謨克利特的“原子說”到如今被科學(xué)家普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)模型理論，從樸素的形而上學(xué)概念到標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的粒子陸續(xù)被證實(shí)，人類似乎越來越接近這一問題的答案。

在標(biāo)準(zhǔn)模型里，宇宙由62種不可再分的基本粒子構(gòu)成，通過強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復(fù)合粒子，進(jìn)而構(gòu)成物質(zhì)世界。

基本粒子可以分為兩大類：自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子（fermion）和自旋為整數(shù)的玻色子（boson）。費(fèi)米子是構(gòu)成物質(zhì)“實(shí)體”的粒子，也稱之為物質(zhì)粒子，而玻色子則傳遞基本相互作用，也可稱為載力粒子。

然而在標(biāo)準(zhǔn)模型建立過程中，有一個(gè)問題卻一直困擾著科學(xué)家：按照標(biāo)準(zhǔn)模型理論，基本粒子并沒有質(zhì)量，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有質(zhì)量的。

1964年，希格斯等人提出了“希格斯機(jī)制”的概念，在理論上解決了這個(gè)問題。希格斯們認(rèn)為宇宙間遍布“希格斯場(chǎng)”，基本粒子在與希格斯場(chǎng)的相互作用下獲得了質(zhì)量，而形成希格斯場(chǎng)的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子。

根據(jù)對(duì)希格斯粒子性質(zhì)的預(yù)言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子，所以又把希格斯粒子稱為希格斯玻色子。

希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，并沒有希格斯粒子的存在，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(chǎng)”。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(qiáng)相互作用下，抱團(tuán)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(huì)仍然以光速運(yùn)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。

希格斯玻色子的存在是希格斯機(jī)制的必然結(jié)果之一，假若實(shí)驗(yàn)證實(shí)希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機(jī)制極大的肯定。更重要的是，它的發(fā)現(xiàn)彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的缺漏，奠定了標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)。

由于希格斯粒子一直未被發(fā)現(xiàn)，這些重要的問題一直懸而未決。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言的最后一個(gè)粒子便一直成為科學(xué)家們苦苦追求的目標(biāo)。

等等，萬一希格斯理論被證明是錯(cuò)誤的，希格斯粒子根本就不存在呢？

曾獲諾貝爾獎(jiǎng)的著名粒子物理學(xué)家萊德曼表示，如果這樣，標(biāo)準(zhǔn)模型理論將被推翻，至少需要進(jìn)行修改。他表示，“這就像哥倫布啟程去尋找印度群島一樣，他和他的信徒們相信，如果沒有達(dá)到目的，他也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些別的東西，這些東西可能會(huì)更有意義?！?/p>

在這個(gè)意義上來說，很多科學(xué)家反倒有些失望，畢竟找到一個(gè)48年前就被預(yù)言了的“老粒子”多少有些無趣，他們期盼的是更為顛覆性的發(fā)現(xiàn)：假如標(biāo)準(zhǔn)模型被推翻，整個(gè)物理世界的理論都有可能要重新改寫。

尋找希格斯粒子歷程艱難花費(fèi)驚人

上帝粒子之所以取名為希格斯，是因?yàn)樗怯茖W(xué)家彼得？希格斯（PeterHiggs）于1964年提出的（與他差不多同時(shí)提出希格斯這一機(jī)制的還有其他幾個(gè)人，一旦希格斯粒子的存在最后被確認(rèn)，他們將分享諾貝爾物理獎(jiǎng)）。

尋找希格斯的工作早在上世紀(jì)90年代的LEP對(duì)撞機(jī)上就開始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴，可惜LEP對(duì)撞機(jī)由于要讓位于LHC的修建而過早關(guān)閉了，從此便與希格斯擦肩而過（現(xiàn)在看來，LEP的能量再提升一點(diǎn)就有能力看到希格斯了）。

接下來前赴后繼的是美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)撞機(jī)，這一領(lǐng)世界風(fēng)騷近20年的對(duì)撞機(jī)也對(duì)希格斯進(jìn)行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的嬌容，可惜這一對(duì)撞機(jī)正值壯年就被關(guān)閉了（被關(guān)閉的原因是在能量和亮度兩方面都競(jìng)爭(zhēng)不過歐洲人的LHC對(duì)撞機(jī)）。

其實(shí)在LHC建造之前，美國人已經(jīng)開始建造超級(jí)超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)SSC，按照設(shè)計(jì)它將是真正的巨無霸對(duì)撞機(jī)，其能量比LHC還要高3倍，目標(biāo)也是尋找希格斯?？上?，SSC由于花費(fèi)驚人（被稱為“吞噬金錢的無底洞”）而被美國國會(huì)終止了，已經(jīng)挖好的地洞也被填平（很多第三世界國家的人為此嘆息，這些花巨資挖的地道可以作防空洞或地道戰(zhàn)用?。?/p>

但是，歐洲人并沒有因此而停頓建造LHC的步伐，歐共體成員國共同出錢如期完成了LHC工程（世界上其他大國包括中國在內(nèi)，也不同程度地出了錢）。LHC對(duì)撞機(jī)是人類歷史上投資最大的科學(xué)研究機(jī)器，造價(jià)高達(dá)100億美元，這一人類歷史上最高能量對(duì)撞機(jī)的主要目標(biāo)就是尋找上帝粒子——希格斯。由于LHC涉及到幾十個(gè)國家和幾百個(gè)大學(xué)，它的發(fā)言人在7月4日的發(fā)布會(huì)做最后總結(jié)時(shí)說，LHC是全球的力量、全球的成功。（新浪）