“上帝粒子”:揭曉一步之遙

邵樂韻

存在，還是不存在，縈繞在科學家心頭將近半個世紀的“上帝粒子”懸疑或許今年年內就能揭曉答案。

“到了年底，根據所掌握的數據，我們將能判斷希格斯玻色子是否存在，或者‘標準模型是否正確。”瑞士物理學家彼得·詹尼（Peter Jenni）博士曾經擔任歐洲核子研究中心ATLAS國際實驗合作組的發言人，日前應瑞士聯邦政府駐華科技文化中心之邀來中國作巡回講座。

他告訴《新民周刊》記者，“不管得到哪一種結果，都將是重要的發現。如果目前的信號確實是希格斯玻色子發出的，那么接下來會越發明顯。一旦找到了它，現在使用的物理教材就要重寫，這對人類認識自身所在的環境具有重要意義。”

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

正埋頭于粒子撞擊試驗和海量數據分析的科學家相信，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準模型中，137億年前宇宙誕生之初產生了多種構成物質的基本粒子，一類是費米子（包括夸克和輕子），一類是玻色子（如光子、介子等）。但是，所有粒子開始時都沒有質量，它們是如何聚合成各種其他物質，從而形成我們現在所生活的世界的？

20世紀60年代，英國科學家彼得·希格斯提出“希格斯場假設”：希格斯場由希格斯玻色子組成，雖然它產生后就迅速衰變，但就在這“曇花一現”之間，通過希格斯場的其他粒子發生了關鍵變化——擁有了質量！正是因為希格斯玻色子，才使恒星、行星、生物的形成成為可能；換而言之，若沒有它，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被稱為“上帝粒子”。物理學家們還認為，宇宙中的暗物質或許就是由希格斯玻色子構成的。

標準模型預言了62種基本粒子，幾十年來，其他基本粒子均已在實驗中得到證實，只剩下希格斯玻色子依舊“在逃”。

詹尼介紹說，2000年以前，歐洲核子研究中心里尋找希格斯玻色子的“主力”是歐洲大型正負電子對撞機（LEP），但在當年11月，在經過了11年正常運行和3個月延期運行之后，LEP宣布壽終正寢。歐洲核子研究中心并非唯一的“尋寶者”。在位于美國伊利諾伊州的費米實驗室里，有一臺叫Tevatron的萬億電子伏特粒子加速器，從1987年開始運行，直到去年9月被關閉，目前科學家們正在奮力消化那些對撞試驗產生的海量信息，打撈那枚希格斯“小針頭”。

數據積累是費米實驗室的優勢所在，與此同時，歐洲同行們則在提高設備的能級水平，讓質子有足夠的力量相撞，縮小對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了代表世界最高水平的粒子加速器——大型強子對撞機（LHC），其設計對撞能量可達14萬億電子伏特（TeV）。這個大家伙位于日內瓦附近的瑞士和法國交界處，主要部分安置在一個周長為27公里的環形隧道中，兩束質子從它“體內”反向發射，經過層層加速后在加速器的四個交叉點發生高能對撞，以此模擬宇宙大爆炸之后不到1秒時間內發生的情況。

交叉點有6個探測器，用以記錄和測量粒子碰撞后的結果。其中比較顯著的是4個探測器，分別是ATLAS——尋找新物理規律以及希格斯粒子和粒子質量的起源；CMS——尋找希格斯粒子的同時，探尋暗物質的跡象；ALICE——研究夸克-膠子等離子體；LHCb——研究為什么宇宙中存在物質與反物質的不對稱。

逼近真相

雖然迄今LHC走走停停了好幾次，但其運行能級在不斷提高。今年4月5日，歐洲核子研究中心宣布，于3月重啟的LHC創造了新的世界紀錄：兩束各為4萬億電子伏的質子束，在位于地下100—150米處的隧道內發生高能對撞，產生的質子束總能量從之前的7萬億電子伏增加到了8萬億電子伏！這意味著，可能產生的希格斯玻色子數量將大大增加。

但是，隨之而來的背景噪聲干擾和希格斯玻色子信號混淆的可能性也大大增多。因此，LHC還需要更充裕的時間才能搜集足夠多的數據。“尋找希格斯玻色子只是主要任務之一，其他目的還包括尋找超對稱粒子、夸克的次級結構等。我們剛剛進入LHC運行的第三年，而這個項目是要持續20年的！”詹尼說，LHC將于今年11月停止運行，然后技術停機20個月，2014年下半年重新啟動，實現質子束流加速至最高設計能量。

其實過去幾年，媒體上出現過幾波發現“上帝粒子”存在信號的報道，雖然都很微弱，卻有步步逼近的趨勢。今年3月，費米實驗室的物理學家稱，根據過去數年積累的數據分析，他們發現了希格斯玻色子可能存在的信號：其質量在大約125千兆電子伏范圍附近——這一位置也恰好是理論計算中認為希格斯玻色子應當具備的能量范圍。

重要的是，過去費米實驗室和歐洲核子研究中心的數據總是不一致，而這一回，他們的結果與歐洲科學家去年12月發現峰值的區域大致相似。科學家們樂觀認為，勝利曙光就在眼前。

萬一“上帝粒子”不存在怎么辦？詹尼說，不能因此就認為LHC的實驗失敗了，證實或排除上帝粒子的存在，任一結果都將是激動人心的。“如果‘上帝粒子不存在，標準模型之說就要被打破，重新解釋宇宙的產生。要是捕捉到了‘上帝粒子，那么標準模型假說中懸而未解的部分就能被揭開面紗。”

成立于1954年的歐洲核子研究中心最初由12個歐洲國家發起，如今已有20個成員國，以及眾多合作伙伴。研究項目的經費由成員國及基金會支付。“這是全球性的項目，確實耗費巨大，但你要看到，這筆錢支持著1萬多名來自世界各地的物理研究人員的工作。”根據詹尼提供的歐洲核子研究中心統計數據，有95人來自中國大陸，67人來自中國臺灣地區。與ATLAS實驗項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、山東大學及中國科學技術大學。

2009年，根據美國小說家丹·布朗小說改編的電影《天使與魔鬼》勾起了大眾對LHC和反物質的好奇心。電影中，藏在歐洲核子研究中心機密實驗室的反物質被偷竊，如果不能及時找到，反物質裝置爆炸，整個梵蒂岡就有灰飛煙滅的危險……

現實生活中，也曾有人懷疑LHC是否會制造出一個黑洞引發地球毀滅。雖然歐洲核子研究中心確實在2010年首次捕獲了反物質，但實驗室的工作沒有那么“好萊塢”，科學家們所做的只是模擬一個微觀世界，從中一窺宇宙奧秘，其能量與宇宙大爆炸的真實情景也遠不可相提并論。

不管怎樣，2012年對于粒子物理學家們而言將是一個令人興奮的年份。

彼得·詹尼博士

1948年出生于瑞士，1973年獲伯爾尼大學物理學碩士學位，1976年獲瑞士聯邦工學院博士學位。1980年他就職于歐洲核能研究組織，并參與質子同步加速器對撞機UA2實驗（參與發現噴注和W/Z玻色子的研究）。

1984年他對大型強子對撞機產生了濃厚的興趣，并擔任了大量的管理工作和合作事宜。1995年，彼得·詹尼當選為ATLAS國際實驗合作組的發言人，直至2009年卸任。ATLAS現有3000多位科學家，他們來自38個國家的174個研究機構。