捕捉“上帝粒子”：一場人類智慧的接力賽

松園

對粒子物理學家們來說，證明希格斯玻色子的存在固然皆大歡喜，證明希格斯玻色子不存在也同樣可喜可賀，因為真相的出現就是勝利……

“缺席”的玻色子

宇宙大爆炸理論雖然相對合理地解釋了有關宇宙起源的種種困惑，但對宇宙中的物質如何演變，恒星和星系如何形成則要仰仗經典力學理論的幫助才能予以回答。當年牛頓看見蘋果從樹上落下后深受啟發，從而發現了萬有引力，正是這個萬有引力在引導物質聚集成恒星、行星和星系。但物質為什么有引力呢？牛頓回答說，因為物質有質量，它是物質因空間變化而產生的一種效應。但物質為什么有質量呢？牛頓沒有進一步解釋了。這個問題從此遺留下來，這就是人們至今依然在試圖破解的一個科學難題——質量之謎，盡管答案也似乎就在眼前。

古希臘哲學家德謨克利特認為，物質的最小單位是原子，而原子是不可分的，他的這種原子論思想后來被伊壁鳩魯等人所繼承，發展成了近代的科學原子論。但不可分思想并不正確，笛卡爾就否認原子的不可分性。現代物理學揭示的物質結構顯示，物質是由分子組成的，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，而原子核又由質子和中子組成。現在我們知道，質子和中子也并非不可分，它們由更小的粒子——夸克組成。這樣一來，由于人類對自然界物質結構認識的日益深入，人們便逐漸認識到，自然界中除了引力外，還有另外三種力，即電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。這三種力是微觀現象，并沒有像萬有引力那樣在理論上得到很好的解釋，于是理論物理學家們便嘗試在人類迄今發現最小粒子的基礎上建立一種 “標準模型”。有了這個標準模型，人們就有了一個統一的理論來解釋這三種力了。

今天，標準模型已經成了粒子物理學的主流理論，它的很多預言已經被證實。標準模型預言了62種基本粒子的存在，其中的一大類叫“費米子”，它們是組成物質的粒子，另一大類為“玻色子”，它們是傳遞各種作用力的粒子。打比方說，質子和中子構成原子核，所以它們是費米子；光子傳遞電磁力，所以屬玻色子。這樣一來，假若將費米子和玻色子結合起來研究，人們就可以描述微觀物質及它們之間力的作用了。

在標準模型中，人們已經找到了多種玻色子，它們是傳遞電磁力的光子、傳遞弱核力的W玻色子及Z玻色子、傳遞強核力的8種膠子，這些玻色子被統稱為“規范玻色子”。但“規范玻色子”沒有解釋物質如何具有了質量，所以標準模型無法最終“修成正果”，因為質量是宇宙形成的關鍵因素，而現在，賦予基本粒子以質量的玻色子“缺席”了，宇宙的演化就無法解釋。

希格斯的粒子海洋

上世紀60年代，一位英國科學家不失時機地出現在了科學史的舞臺上，他叫彼得·希格斯，他出生于英格蘭，1960年畢業于倫敦國王學院。希格斯在愛丁堡大學任教期間首先對質量問題產生了興趣。1964年的一天，散步中的希格斯忽然產生了一個想法：在宇宙大爆炸剛發生的時候，粒子是沒有質量的。在這樣的宇宙中，粒子只會以光速穿越宇宙，并不能結合起來組成其他物質。但隨著宇宙的冷卻，一個看不見的能量場形成了。現在，人們把這個能量場稱為“希格斯場”。按照希格斯的想法，這個能量場是由一種能吸附基本粒子，阻礙粒子運動并使它們獲得質量的粒子構成的。這種粒子是一種不規范的玻色子，人們在今天稱之為“希格斯玻色子”。

現在我們可以把希格斯場設想成一個浩瀚的海洋，而希格斯玻色子就是海洋中構成海水的水分子。水對于在水中運動的物體具有阻礙作用，而希格斯場也是這樣，由于希格斯玻色子的存在，它對于大部分基本粒子具有阻力，這種阻力使基本粒子不能以光速運動，這種阻力還因基本粒子的不同而在大小上有所不同，所以希格斯玻色子不僅賦予不同的基本粒子以質量，而且那些基本粒子得到的質量也是各不相同的。有些不與其他粒子發生作用的基本粒子就完全沒有質量，例如光子不受希格斯場的阻礙，所以光子能毫無阻礙地以光速穿越希格斯場。總之，希格斯認為，從理論上講，粒子可以沒有質量，但宇宙大爆炸發生后不久，希格斯場的出現使粒子在與希格斯玻色子的相互作用中獲得了質量，也正是由于希格斯玻色子的這種作用，宇宙才產生了恒星和行星，孕育出了今天的大千世界。

希格斯玻色子解釋了宇宙大爆炸發生后，基本粒子如何具有了質量，再聚合成各種其他物質，從而形成我們今天看到的宇宙，所以它解決的是宇宙起源和演化的基本問題。正因為如此，希格斯玻色子后來就有了“上帝粒子”的美稱。不過希格斯本人不喜歡這個詞，他聲稱，作為一個無神論者，他不喜歡“上帝”這種稱謂，但用他自己的名字命名為“希格斯玻色子”，他也表示反對。

據說，希格斯有了上述想法后，就把這些內容寫成論文，投給了美國物理學會的《物理快報》，但卻慘遭拒絕。于是他又把論文轉投給美國期刊《物理學評論》，這是希格斯有關玻色子設想的第一次公開發表。與此同時，另有5位科學家也得出了類似的結論。在《物理學評論》上，包括希格斯在內的這6位科學家分別發表了各自的論文，這些論文現在被認為是該領域具有里程碑意義的文獻。

然而希格斯玻色子依然只是一個猜想，要證明這個猜想就必須找到這種粒子。問題是現實世界中，這種奇妙的粒子是否果真存在呢？

征服“核力”

尋找未發現的新粒子，除了可在宇宙中去尋找外，還有一個更妙的辦法，那就是用兩種微觀粒子相撞，或者用微觀粒子去撞擊其他的物質的方法去尋找。1919年，英國物理學家盧瑟福用α粒子轟擊氮核，從氮核中打出了一種粒子，并測定了它的電荷與質量，這就是質子。1932年，另一位英國物理學家查德威克用放射性元素鈹的射線轟擊氮、氬元素的原子核。查德威克由此發現，鈹發出的射線不是γ射線，而是一種質量與質子相近，但卻不帶電荷的中性粒子，這就是中子。

質子和中子的發現使人們認識到，了解物質的微觀結構，可以用把物質盡可能地打碎，使物質的微觀結構發生最大限度變化的方法來了解物質的基本性質。這一認識促使了粒子加速器的出現，它的作用就是產生高速粒子，從而改變原子核，以便人們探索物質內部的奧秘。為了達到這一目的，粒子加速器需要克服原子核內部的“核力”，這是一種強相互作用力，能把粒子束縛得很緊。克服這種力需要巨大的能量。因而，隨著人類對物質世界探索的日益深入，粒子加速器的規模也就越來越大，能量也會越來越高，但即使如此，它仍不能滿足研究的需要，粒子加速器依然在不斷改進。

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機就是在這種背景下興建的，它是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器，也是人類迄今制造的最龐大的機器。為了建造這架機器，從構想到建成，人類用了20年時間，耗資100億美元，無數科學家為這項人類最偉大的科學工程付出了辛勤的汗水。

大型強子對撞機位于法國和瑞士邊境地區100米深的地下，它內部的圓形隧道有27千米長，是供質子加速的，堪稱地球上最長的“跑道”。當其中的超導磁鐵把質子加速到接近光速時，質子就在“跑道”中相撞，由此產生的超級高溫環境酷似宇宙大爆炸，釋放出大量能量和基本粒子，冷卻后再形成質子和中子。

簡單地說，制造大型強子對撞機的目的就是在地球上還原一個微型的宇宙大爆炸的場景。當宇宙大爆炸的環境在對撞機中形成后，科學家們便能從中研究宇宙起源和演化的許多問題，驗證當代物理學領域中的各種理論和猜想，例如尋找看不見的暗物質和暗能量，尋找由電荷相反的基本粒子組成的反物質，驗證高次元空間是否存在等等。當然，尋找神奇的質量之源——希格斯玻色子自然也成為其中的一項重要內容。

粒子物理學的“繼往開來”

在歐洲核子研究中心，運行大型強子對撞機尋找希格斯玻色子的科學家從事著兩個獨立的實驗，分別是在超導環場探測器和“緊湊型繆子線圈”探測設備上所進行的實驗。2008年8月，大型強子對撞機開始運行。科學家們預測，如果希格斯玻色子真的存在，人們應該從加速器的數據上讀出來。然而那種數據并沒有出現，這讓人十分困惑，尋找希格斯玻色子的工作一開始并不順利。

2011年7月22日，超導環場探測器和“緊湊型繆子線圈”探測設備再次以接近光速的速度撞擊了超過180萬億個質子，兩個小組都聲稱發現了疑似的希格斯玻色子。然而不到一個月，歐洲核子研究中心也宣布說，一些跡象表明，這種粒子也許真的不存在，于是失望的情緒再次襲來。如果希格斯玻色子真的不存在，那么科學家們就要重新審視標準模型，并將目光轉向物理學研究的新方向。

但科學家們并沒有放棄，同時決定在2012年以更高的能量運行大型強子對撞機，他們認為提高能量也許有助于找到希格斯玻色子。2012年7月4日，好消息終于傳來，歐洲核子研究中心宣布他們發現了一種新粒子，其行為方式和標準模型中的希格斯玻色子相似。他們找到了嗎？

假若真的產生了希格斯玻色子，它應當是不穩定的，會迅速衰變，即變為更加穩定、質量更小的粒子。科學家們需要對這些衰變產物進行分析，同時從被撞擊后的粒子碎片中尋找疑似的希格斯玻色子的蹤跡。初步的實驗結果顯示，科學家們可能發現了一種質量和希格斯玻色子相當接近的新粒子，但是否就是希格斯玻色子，還得做進一步研究才能斷定。

總之，似乎曙光已顯現，勝利已在望了。早在十幾年前，當美國費米實驗室宣布他們發現了頂夸克時，人們已經準備在迎接粒子物理學標準模型的最后勝利了，因為頂夸克的發現意味著標準模型預言的62個基本粒子中61個已經得到實驗數據的支持與驗證，人類對物質微觀結構的探索眼看就要贏得一場完美的勝利了。

然而這最后一個粒子——希格斯玻色子的缺席使一場歡慶勝利的聚會遲遲不能開場，并且一直拖延到今天。“標準模型”這幢粒子物理學的宏偉大廈也由于缺少這最后一塊基石而顯得岌岌可危。因為如果證明希格斯玻色子并不存在，那么整座標準模型的“大廈”就要推倒重建。事實上，為了尋找這種猜想中的粒子，人類已艱難探索了幾十年，投入的資金也不計其數。

不過人們早已知道，在探索真理的道路上，從來就是布滿荊棘。對粒子物理學家們來說，證明希格斯玻色子的存在固然皆大歡喜，證明希格斯玻色子不存在也同樣可喜可賀，因為真相的出現就是勝利。

現在，歐洲核子研究中心傳來的消息似乎表明，粒子物理學標準模型的科學大廈就要竣工了，這是人類探索精神挑戰物質世界的偉大勝利。但即使如此，也并不表示人類已經解開了粒子物理學的所有謎題，而僅僅是一個繼往開來新時代的開始。接下來，科學家們將要面臨更多的難題，例如，弄清暗物質和暗能量的結構，尋找反物質、反宇宙等等。人類探索未知世界的腳步是永遠也不會停息的。