發現“上帝粒子”

云凡

今年7月4日，位于日內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，這種粒子與之前預言構成質量的“上帝粒子”即希格斯玻色子特征一致。對于物理學家來說，這次發現就像“哥倫布發現美洲大陸”。

“上帝粒子”為什么是質量之源？

物質有質量，這是眾所周知的事實。問題是，物質為什么有質量？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：無法解釋物質質量來源等問題。

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生碰撞后，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質量，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，抱團組成了質子、中子等粒子，質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，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現了頂夸克時，“標準模型”所預言的62個基本粒子中的61個都已經得到了實驗數據的支持與驗證，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，期間發現了新粒子“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，它極不穩定，如果確實存在，它將在碰撞后10億分之一秒的時間內衰變，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，它發射出質子，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的質子和中子，希格斯粒子就有可能產生在其中。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，已經使科學家們獲得了足夠的信心：由于它所達到的能量已經足夠大，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，不像以往的實驗設備存在漏網的可能性；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生上帝粒子并沒有那么容易——每1萬億次的質子對撞，才可能產生一次希格斯粒子。更加困難的是，這種粒子一旦產生就轉瞬即逝，因此要想捕捉到它需要進行足夠次數的相撞，并進行海量數據分析。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。經過了足夠多次數的觀測，歐洲原子核能中心最終確信自己已經找到了“上帝粒子”。兩座各自獨立的實驗室都發現了這種亞原子粒子，質量范圍在125吉電子伏特至126吉電子伏特之間。兩家實驗室都宣布，數據結果的統計確定性為5西格瑪，或5標準差。5西格瑪，換算成統計誤差率，大約為0.00006%。在粒子物理學界，若要證實某一發現，數據統計確定性需要達到5標準差；若要作為證據，統計確定性必須達到3標準差。所以現在說是“接近發現”。

發現“上帝粒子”只是新的開始

“上帝粒子”的發現是“標準模型”最重要的實驗證明。但即便希格斯粒子的終于發現填補上了物理學“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。發現希格斯粒子，只是穩固了既有理論體系的基礎，證明了“標準模型”理論的可靠性，而在“標準模型”的基礎上，科學家尋求最終的大一統的物理理論，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，一切試圖將引力統一到“標準模型”內的努力都失敗了。另外，對于暗能量、中微子質量、物質與反物質不平行等領域，“標準模型”也無能為力。這些將涉及更高層面的統一理論和更高維度、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，引力絕大多數都作用在隱藏的其他維度之中。在對更“大一統”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實依據。研究表明，我們目前所認知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物質占了23%，還有73%是一種導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量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質。這在近期天文物理學研究領域里，是很重要的論題。發現了“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

歐洲強子對撞機的主要任務是揭開以下五大科學之謎。

1.牛頓未完成的工作——什么是質量？

質量的起源是什么？為什么微小粒子擁有質量，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——都是由普通粒子構成的。這些粒子被統稱為物質，它們構成了4%的宇宙。余下的部分由暗物質和暗能量構成，它們對于整個宇宙的構成與運行有著極其重要的作用。研究暗物質和暗能量的性質是當今粒子物理學和宇宙學面臨的最大挑戰之一。

3.為什么找不到反物質？

我們生活在一個由物質構成的世界，宇宙萬物——包括我們人類在內都是由物質構成的。反物質就像物質的一個孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時，“大爆炸”產生了相同數量的物質和反物質。然而，一旦這對孿生兄弟碰面，它們就會“同歸于盡”，并最終轉換成能量。不知何故，少量物質幸存下來，并形成我們現在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質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——物質在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態？

構成宇宙萬物的物質來源于一系列密集而熾熱的基本粒子?，F在宇宙中的普通物質由原子構成，原子是由原子核及繞核運轉的電子組成的。而原子核是由質子和中子構成的核子，質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，膠子很難將夸克結合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發生后的最初幾微秒內形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構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生后的原始宇宙形態，分析夸克-膠子等離子體的性質。

5.空間的額外維度真的存在嗎？

根據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出來。基于這種推測，科學家將對所有探測器獲得的數據進行仔細分析，以尋找額外維度存在跡象。

【責任編輯】蒲 暉