“上帝粒子”趣事多

　　歐洲核子研究中心公布來自大型強子對撞器(LHC)的重要數據顯示，發現了疑似有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子。玻色子是一種比原子還小的粒子。在137億年前的宇宙大爆炸中，希格斯玻色子使物質得到質量(萬有引力則將質量變成重量)，使恒星和行星都得以誕生，最終孕育生命。人類距離了解宇宙誕生之謎或將邁進一大步。
　　從愛因斯坦到霍金
　　我們知道，紛繁復雜的大千世界全靠4種基本作用力 來“管理”： 萬有引力、電磁力、強核力、弱核力。前兩種力是長程力，它們的作用范圍理論上可以達到無限遠；而后兩種力都是短程力，一旦跨出原子核，就變得微乎其微了。但是，20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦卻認為宇宙本質上只有一種基本作用力，這4種力應該可以統一成一種，因為他堅信自然是最簡單的。愛因斯坦的“大統一”還沒有實現，他就離開了人世。
　　1964年，英國愛丁堡大學物理學家希格斯提出了希格斯場的概念。1967年，物理學家薩拉姆和溫伯格把希格斯機制應用到弱核力研究中，提出弱核力的傳遞粒子起初像光子一樣是沒質量的，后來才通過希格斯機制獲得質量。這樣，電磁力和弱核力完成了統一。在統一了電磁力和弱核力后，又經過數代物理學家的努力，一個可以解釋強核力、弱核力和電磁力的理論體系終于搭建起來了。這是粒子物理學迄今最完美的理論體系，一般稱之為“標準模型”。 希格斯場既然是一種場，那么也應該有其相應的傳遞粒子，這就是希格斯玻色子。
　　希格斯本人對于這個以他的名字命名的粒子的存在是充滿信心的，但大名鼎鼎的英國物理學家霍金卻堅持認為希格斯粒子不存在。許多理論物理學家試圖不用希格斯玻色子來解釋目前已知的粒子和它們的質量，但他們都沒有得到一個合理的模型，所以大部分學者還是接受希格斯玻色子這個假設。而霍金等一些科學家則支持超弦理論，這種理論能把包括引力在內的自然界全部4種基本作用力統一起來，這是標準模型和超對稱理論做不到的，但超弦理論中并沒有希格斯粒子的位置。正因為這些，霍金才會出100美元跟人打賭說希格斯粒子并不存在。
　　因禍得福的一次退稿
　　1964年，希格斯寫了兩篇論文，探討了今天所說的希格斯場問題。學術期刊刊登了第一篇論文，但是把第二篇論文退回了。他的同行看了第二篇論文后，建議希格斯增加一段。希格斯于是在論文里添加了一段，探討如今大名鼎鼎的希格斯玻色子的存在性問題。預言宇宙中存在一種場，就像海洋中的波浪，能夠產生新的粒子。然后，他把新修改的論文再次投給學術期刊，終于得以發表。他所預言的新的粒子，就是后來大名鼎鼎的“上帝粒子”——希格斯玻色子。那是希格斯有關玻色子的設想第一次公開發表。不過，這篇在接下來的半個世紀中對大型強子對撞機實驗影響深遠的文章其實并不長，甚至占不滿刊物的兩頁紙。
　　為什么叫玻色子呢？玻色是20世紀20年代與愛因斯坦合作的一位物理學家。玻色從來沒有獲得博士學位，也沒有獲得諾貝爾獎，但他對玻色子的研究獲得了物理學界的承認。微觀粒子分為兩類：玻色子和費米子，希格斯玻色子屬于玻色子。兩個屬性相同的玻色子可以在同一時間出現在同一地點，而兩個費米子是不行的。比如，光子是玻色子，許多光子可以組成狹窄的激光束，一起向前沖；而電子是費米子，不同的電子在原子核外要占據不同的電子軌道，彼此要保持一定的距離。
　　跨越兩國的物理實驗室
　　盡管我們仍然認為科學發現可以由一位天才在自家地下室的實驗室里獨力完成，但事實上，要想發現“上帝粒子”并不便宜，需要超乎想象的巨大能量。這是因為，為了要發現希格斯玻色子，你需要將兩束質子流加速到接近光速。驅動這些探測器所需的電力供應是驚人的120兆瓦，這幾乎相當于鄰近的瑞士城市日內瓦的所有家庭用電的總和。
　　為了將兩束質子流加速到接近光速，歐洲核子研究中心的科學家們使用了大型強子對撞機設備（LHC）。歐洲大型強子對撞機是人類歷史以來建造的最大、最復雜的機器，周長為27千米，跨越瑞士和法國兩國的邊界。它能把質子加速到接近光速，讓其運動質量達到靜止質量的7 000倍。
　　大型強子對撞機的建造近10年時間，耗資大約47.5億美元。其后每年所需的經費約為2.86億美元。事實上每年僅電費消耗就達2 350萬美元。要維持大型強子對撞機設備的正常運轉，每年的預算開支至少達10億美元。為了找到希格斯玻色子，人們一共為此花費了約132.5億美元。
　　LHC是一臺埋設在法國-瑞士邊境地區地下的環形裝置，長度約16.8英里(約合27千米)，埋設深度約330英尺(約100米)。整個對撞系統裝備有9 300塊磁鐵，并被冷卻至-271.25℃。這樣的條件讓大型強子對撞機有能力將質子流加速到光速的99.99%。這些質子流會經過6臺不同的探測器，這些探測器會進行不同的實驗。
　　讓瑞典諾貝爾委員會很頭疼
　　我們知道，物體由分子、原子構成，原子由質子、中子組成的原子核和繞核旋轉的電子構成。而質子和中子都由夸克和膠子組成，夸克、膠子和電子等至今為止沒有發現有更深層次的結構，因此被稱為基本粒子。希格斯認為，在137億年前的宇宙大爆炸過程中，形成一種無形卻到處存在的場，希格斯玻色子就存在于這個場內。當有些粒子在與希格斯玻色子遭遇時，它們會降低速度，獲得質量，而另一些粒子則會不受阻礙地繼續前進。簡單地講，有了希格斯玻色子，基本粒子才有質量，有了質量才產生引力，才會有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。
　　在物理學標準模型的62種基本粒子中，其他61種都已被實驗證實了存在，只有希格斯玻色子仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。如果它們就存在于我們身邊的話，為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡？實際上，每1012次的質子對撞，才可能產生一次希格斯玻色子。更麻煩的是，這種粒子一旦產生，十億分之一秒后就會衰變成光子和強子等其他粒子。由于它難以尋覓又極為重要，因此也被學術界稱為“上帝粒子”。
　　其實，早在2000年，歐洲的大型正負電子對撞機發現了有趣的現象，有些東西看起來非常像希格斯玻色子，基本符合理論預測的范圍。此后的對撞機觀測發現了更多的證據，可能當時希格斯玻色子已經現身了。可惜由于當時這個對撞機要關閉，為給后來的大型強子對撞機騰地方，觀測沒有繼續進行下去。
　　目前，至少有十幾個理論物理學家都對希格斯場的理論有貢獻。在2010年，美國物理學會曾經授予了1964年發表相關論文的6位科學家以獎項。很多科學家都對希格斯場的理論有貢獻，這會讓瑞典的諾貝爾委員會很頭疼，畢竟，諾貝爾物理學獎一次最多只能頒給3位健在的學者。如果希格斯玻色子的發現真的獲獎了，該給哪些人頒獎呢?