上帝粒子」亮相，萬物從此「有」了重量

CMS巨型探測器的一部分，這是歐洲大型強子對撞機找到希格斯玻色子的主要設備之一。(資料圖片)

　　粒子物理學中標準模型含有62種基本粒子，這是最後一種未被發現的粒子，也是最難找的，同時也是需要極高能量才能尋找到的。

　　2012年7月4日是科學史上很值得紀念的一天，C ERN(歐洲核子研究中心)召開了新聞發布會，在會上科學家們宣布發現了一種新的粒子，目前觀測到的是，一個新的粒子衰變到兩個光子的信號，以及其它的輔助信號強有力地支持了看到的新粒子就是希格斯粒子，有95%的可能性，但還未完全確認，要完全確認是希格斯玻色子還得繼續等待。

　　科學家一直在尋找萬物的質量來源

　　L H C大型強子對撞機的超導環場探測器實驗(以下簡稱「A T L A S」)與緊湊μ子線圈實驗(以下簡稱「C M S」)團隊公布的初步實驗結果顯示，在1 2 5 -126G eV的質量區間內存在一種新的粒子，置信度均達5個sigm a。在粒子物理學中，5個sigm a被認為是作為一項發現的門檻，這幾乎就意味著有99.9999%的把握。這裡一個G eV是10億電子伏特，一個質子的質量大約就是0.938G eV。許多理論物理學家認為，這個新粒子就是傳說中的上帝粒子，賦予各種基本粒子以質量的希格斯玻色子。這就是我們尋常所見萬物的質量來源。

　　希格斯本人也出席了發布會，他流淚了，從1964年提出希格斯機制到今天，整整48年了，他都83歲了，盼這一天將近半個世紀，許多在場的老科學家也流淚了。20多年的尋找，近百億美元的投入，成千上萬人的參與，就是為了這一天，科學家的激動可以理解。

　　這是物理學界過去將近30年中最重大的發現。因為，這意味著現代物理學的基石穩固了。粒子物理學中標準模型含有62種基本粒子，這是最後一種未被發現的粒子，也是最難找的，同時也是需要極高能量才能尋找到道。有科學家說，今天，我們見證了歷史時刻。

　　什麼是希格斯玻色子？它究竟有多重要？

　　什麼是希格斯玻色子？它究竟有多重要？為什麼要投入那麼多的人才、金錢、時間、精力去找它？

　　還是先來看看現代物理學中的一些基本概念，否則很難明白這種粒子的重要性。

　　基本粒子：物理學中指的是不可再分的粒子，構成物質的最小基本單位。自旋是微觀粒子的基本性質之一，可以被理解為粒子固有的一種角動量，基本粒子和它們構成的複合粒子都具有自旋性。根據自旋是否為整數，基本粒子可以分為兩大類：自旋為(n+1/2)的費米子(ferm ion)和自旋為整數的玻色子(boson)。費米子是構成物質「實體」的粒子，也稱之為物質粒子，而玻色子則傳遞基本相互作用，也可稱為力粒子。希格斯玻色子的自旋為0，與前兩類不同，它非常的特別。

　　自然界有四大基本相互作用，也叫基本力，按強度由大到小依次為：強相互作用(強力)、電磁相互作用(電磁力)、弱相互作用(弱力)和引力相互作用(引力)。基本粒子通過基本相互作用構成世間萬物。

　　強相互作用的作用半徑在原子核尺度上，它維持原子核的穩定。根據是否參與強相互作用，費米子還可分為夸克(quark)和輕子(lepton)兩種。參與強相互作用的是夸克，傳遞強相互作用的是膠子(gluon)。可以形象地認為，膠子是把夸克粘在一起的「膠水」，質子和中子形成時膠子消失。

　　電磁相互作用的媒介是光子(pho-ton)，只有一種。光在真空中可無限傳播，因此電磁相互作用的作用半徑是無限遠。引力的作用範圍也是無限遠。

　　弱相互作用涉及所有已知的費米子，作用形式是W和Z玻色子的交換，作用範圍在亞原子內。弱相互作用能夠改變夸克的性質(味道)，解釋原子核的衰變和聚變。

　　膠子、光子和W、Z玻色子統稱規範玻色子(gaugeboson)，因為它們是傳遞基本相互作用的粒子。希格斯粒子(H iggsboson)不屬於規範玻色子，它賦予其他粒子質量，是標準模型的基石。標準模型的擴展中還包括其他不規範玻色子。

　　所有已知的基本粒子的質量都靠希格斯粒子提供

　　標準模型預測了希格斯場的存在，希格斯玻色子是組成希格斯場的基本單元，這種場是在宇宙誕生初期出現的，宇宙剛誕生的時候，基本粒子都是沒有質量的，而希格斯玻色子-希格斯場的出現賦予了基本粒子以質量，這種場遍布整個空間。希格斯場的基態的振幅不為零；也就是說，它的真空期待值不為零。非零的真空期待值造成了電弱相互作用的自發對稱性破缺，並引發希格斯機制。這是為規範玻色子賦予質量的最簡單方法，同時這種理論又與楊-米爾斯規範場論兼容。

　　希格斯場可以被描述為一個充滿糖漿的游泳池。當0質量的基本粒子穿過希格斯場時，粒子會獲得質量(裹上糖漿)，成為可組成原子的成分。它的量子模型是一種標量玻色子，也就是希格斯玻色子。簡單地講，質量可以看成是物體改變運動路徑難易程度的度量。基本粒子給希格斯玻色子抱住了，抱得越緊，質量越大，物體改變運動路徑越難，同時物體運動速度也慢，抱得越松，質量越小，物體改變運動路徑就越容易，同時物體運動速度也高。假如沒有希格斯玻色子，宇宙會怎樣？那樣的話，基本粒子都沒有靜止質量，跟光子一樣，大家的速度均為最高速的光速，那樣的話，原子核不能穩定形成了，太陽，地球不會存在了。我們也不會坐在這裡讀新聞了。

　　實驗物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼曾在一本科普書中將希格斯粒子稱為「上帝粒子」，從此這個綽號就流行開來。為什麼萊德曼將這個粒子拔高到這個高度？確實是有原因的。第一，所有已知的基本粒子的質量都靠希格斯粒子提供；其次，希格斯粒子在弱相互作用和電磁相互作用的統一中扮演著一個重要角色，它的存在使得這兩個相互作用在一定的能量之下看上去完全不同，而在這個能量之上又變得不分彼此。1968年，弱力和電磁力被統一為電弱相互作用，這個理論在隨後的實驗中得到了證實：在極高能量(超過100G eV )的情況下，這兩種力的表現趨同。最重要的是第三點，希格斯粒子的質量與真空的性質以及其他粒子在真空中不停產生和湮滅的過程有關。所以，希格斯粒子的質量大小將決定標準模型是否完備。標準模型不包含引力。

　　引力通常指的是有質量的物體之間的引力相互作用。有人猜想引力子是存在的，它屬於規範玻色子，質量為零，永遠相互吸引。這兩年，荷蘭物理學家試圖用標準模型之外的其他理論解釋引力，認為它實質上可能是熵力。還有物理學家認為引力是四維空間中的宏引力在三維空間的投影，或甚至不是一種基本作用力。由於目前研究設備能量範圍的限制和對質量本質認識的缺乏，關於引力，我們仍知之甚少。

　　標準模型目前主要被用於發展統一除引力之外的三個基本相互作用的大統一理論(G randU nifiedT heory，G U T )，這是統一四大基本力的物理學終極理論———萬有理論(T heoryO f Everything，T O E)的前身。

　　「上帝粒子」對認識宇宙意義重大

　　此次C E R N對希格斯粒子的研究將是我們向揭示質量和引力的本質邁出的關鍵一步，T O E (萬有理論)，我們人類來了。當然，由於引力量子化的困難，結合這四種基本力還是非常困難的，道路也將是修遠的。但是毫無疑問，希格斯玻色子的發現對於人類認識宇宙的本質有著重大的意義。肯定會對以後的科技應用產生重大影響，就算是沒有實際的用處，找到它也是非常偉大的。

　　畢竟，人類是有好奇心的，我們渴望知道，我們是誰？我們從哪裡來(指宇宙及人類的起源)？我們要去哪裡(指宇宙及人類的最終命運)？為什麼會有這個世界而不是沒有？這些基本問題是人類渴望知道的。正如有些科學家講的，我們在此，是希望了解真相。另外，我們已知道的物質能量佔據宇宙總物質能量的4%。還有96%都是未知的，以暗物質暗能量為主，希格斯玻色子的發現對這些未知領域的研究大有幫助。

　　旁證

　　這回的發現肯定沒跑

　　李淼在微博：一個貌似上帝粒子的傢伙現身，不僅攪動了物理學界，也攪動了全人類。昨天晚上七十分鐘的微訪談，大家問了近八百個問題，我只能回答不到六十個。我有兩件事想要說，第一，這回的發現肯定沒跑，每個組有5sigm a，非官方綜合可信度7sigm a。第二，該新粒子與中間玻色子的耦合與希格斯粒子幾乎一樣。(李淼為著名理論物理學家)

　　文/沉思(作者為99級理工科研究生)