“上帝粒子”的發現

陳方正

7月4日是個值得紀念的日子，因為這天歐洲核子研究中心（CERN）正式宣布，通過“大強子對撞機”(Large Hadron Collider, LHC)上的兩個不同實驗，他們可能已經發現了希格斯玻色子(Higgs boson)。那是數十年來物理學家夢寐以求的突破，因為在描述物質最深層結構的“標準模型”（standard model）中，它是賦予其他基本粒子以質量的關鍵，也是這模型中最后一塊拼圖板。它的發現倘若能夠得到確認，那么這模型的一個奇特構想就會被證實，人類對于物質結構的探索，也將進入新階段。但大自然探索歷來充滿意外和驚奇，所以LHC到底會顯示些什么，其實仍在未知之數。

“標準模型”的成功

“標準模型”是什么意思呢？這得從物質的三個微觀層次說起。大家都知道，可見、可感觸的宏觀世界，其實是由分子和原子構成，那是第一個微觀層次，它的尺度是微米（10-6m）至納米(10-9m)。其后物理學家又發現，原子是由電子和原子核構成，原子核是由質子和中子構成；電磁波是光子，粒子“衰變”時會產生中微子(neutrino)，與電子對應的，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層次，它的尺度是納米至費米（1F =10-15m），在其中最少有6種粒子。它們所服從的規律，是量子力學和量子場論；它們之間的作用力，有經由光子傳遞的“電磁作用”，和原子核內部的所謂“強作用”和“弱作用”。對這層次的深刻了解，從上世紀50年代開始導致了大量新工業的發展，和科學各領域的飛躍進步：它徹底改變了世界。

但強作用和弱作用是如何傳遞，服從什么規律呢？這就牽涉上述粒子本身結構的問題，它困擾了物理學家三四十年。最后，他們終于發現了物質更深一層，也就是第三層微觀結構，它的尺度是費米至毫費米（10-18m）。對此結構的理解就是所謂“標準模型”，它是在大量實驗結果的基礎上，結合前一階段所發展的量子場論、群論和楊振寧在50年代所提出的規范場理論三者而建構的，大致包含以下要素。

（1）質子和中子合稱強子(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。夸克和輕子是構成物質的基本粒子。

（3）傳遞基本粒子之間相互作用的，統稱“規范場玻色子”(gauge boson)。它們包括兩大類：傳遞“強作用”，也就是把夸克結合成為強子的，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年代發現的Z、W+、W-粒子。

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

（5）最后，上述的結構在理論上完整，但實際上并不完全，因為除了以上一組8顆基本粒子（6顆夸克，兩顆輕子，反粒子不計）以外，居然還有性質、結構完全相同，但相應質量卻更大的兩個“復制組”。就輕子而言，這包括mu粒子及其對應中微子，和tau粒子及其對應中微子；就夸克而言，這包括“異(strange)、粲(charm)”和“頂(top)、底(bottom)”這兩對，而且它們同樣各有“三色”。因此，每個復制組同樣有6顆夸克，兩顆輕子，但它們都是高度不穩定的（中微子除外）。這樣，所謂“基本粒子”的總數就不是1組8顆，而變為3組24顆了。為何它們需要自我“復制”兩次？是否還有質量更高，但迄今未曾發現的其他“復制組”？這問題至今還無人能解。

在過去30年間，上述“標準模型”獲得了巨大成功：它能夠應用少數物理常數，相當準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象，例如計算粒子的散射、產生，以及強子的質量、衰變等等，甚至還能說明夸克為何不能夠在強子以外獨立存在（所謂“幽禁”），但在其內部卻又處于自由狀態（所謂“漸近自由”）等特殊現象。特別是，70年代發現粲與反粲夸克所形成的J/ψ粒子，80年代發現W和Z介子，1995年發現頂夸克等等，都證實了標準模型根據群論所預先構想的結構，因而轟動一時。

物理學界的嚴峻問題

頂夸克是在美國費米國家實驗室的Tevatron對撞機上發現的。這對撞機的原理是，在圓周6.3公里的超高真空管道中，將質子束和反質子束各加速到1Tev，然后令它們以統共2Tev的能量對撞，并以高速探測器和電子計算機分析所產生的結果。其后，物理學家繼續在此機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，一直沒有決定性結果。所以，從將近20年前開始，高能粒子物理學已經逐漸停頓下來，“標準模型”能夠解釋的現象，就以能量2Tev為上限。

打破這悶局的，是2010年開始運轉的CERN大對撞機LHC。它的前身是1989年落成的電子—質子對撞機LEP，后者周長27公里，深入地下100米的圓形隧道為LHC承受，被改用作質子—質子對撞機。此機1998年動工，10年后落成，正式運轉以來，初步達到的總能量是8Tev（至終將達到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，是以造價9倍于后者（美元90億與10億之比）得來的。這也就是為何LHC開動僅僅兩年之后，就已經初步找到希格斯粒子，測定其質量為125Gev，并且將結果是統計誤差所致的可能性減縮到百萬分之一以下。

不過，CERN的宣布很謹慎，說要待今秋或者年底才能夠正式發表結果。這除了要進一步增加事例以改進統計，和確定質量以外，當還要分析所發現粒子的其他特征，例如自旋、對稱性、衰變方式等等，看是否和預期相符。因為目前所發現的，到底是標準模型中單一的希格斯粒子，抑或如另類理論所預言的其他“多重希格斯粒子”之一，那還有待研究。無論如何，只要這發現并非統計上的“誤判”，那么即使有意外結果，也只表明“標準模型”和現實有差距而已— 而那正是物理學家熱切等待的。因此，LHC可以說是“旗開得勝”，已經證明它的價值了。

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

其次，找到了希格斯粒子又如何？這比較難以回答。倘若一切都如標準模型的預料，那么粒子物理學家只好承認，太陽之下再無新事物，他們面臨失業了。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。從經驗可知，在這么寬廣的新能量區，必然會有大量激動人心的發現。令物理學家憂心忡忡的，反而是短短幾年后，這新能量區的所有秘密都將大白于天下，屆時何以為繼呢？在過去大半個世紀，歐美政府對粒子物理學的支持非常堅定和慷慨，所以每一部前緣加速器、對撞機完成使命之后，必然會有下一代機器“接棒”。但1993年底發生了變故，當時美國政府決定取消造價可能遠超百億美元，能量設計為40Tev的“超導超級對撞機”SSC，那本來是要為LHC接棒的。這樣，后者剛剛誕生，就已經面臨“絕種”危機了。

這還帶來了最后一個問題。第三層微觀世界的結構雖然奧妙無窮，但迄今為止，卻沒有任何可預見的現實意義，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的巨大力量有密切關系。但現在公眾對粒子物理學的信心和耐心退潮了，SSC的夭折就是明確信號。因此，物質深層結構的探索到底是否還有前途，在2020年之前勢將成為物理學界不可回避的嚴峻問題。