十問「上帝粒子」：新發現背後的謎團

7月初，歐洲核子研究中心宣布發現了一種新粒子，其特徵與號稱「上帝粒子」的希格斯玻色子高度吻合，引起了學界的轟動和社會的關注。但在新聞背後，感興趣的讀者或許會還冒出了不少問號：「上帝粒子」真是物理學家都夢寐以求的「聖杯」嗎？它是否就隱藏在我們身邊？為什麼物理學大師霍金不相信它的存在？這次會不會又是一個類似「中微子超光速」的烏龍……帶著這些疑問，科技日報記者採訪了中國科學院高能物理研究所研究員、參與尋找希格斯玻色子的歐核中心CMS項目中國組成員陳國明。科技日報：希格斯粒子為什麼讓物理學家如此關注？陳國明：希格斯玻色子又稱希格斯粒子，將它稱為「上帝粒子」，是因為它是基本粒子的質量之源。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。簡單地講，有了希格斯粒子，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、恆星、行星和生命。科技日報：今天宇宙中一切物質的質量是否都來自希格斯粒子，「上帝粒子」的稱號是否名副其實？陳國明：「上帝粒子」只是個通俗說法，不能說希格斯粒子給一切物質賦予了質量。按照物理學標準模型，物質的質量來自兩部分，一部分是夸克、電子等基本粒子的質量；另一部分則是基本粒子相互作用產生的結合能，這部分佔的比重其實還要更大。另外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，只有希格斯粒子這關鍵一環仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。科技日報：希格斯粒子為什麼這樣難找？如果它們就存在於我們身邊的話，為什麼這麼多年都捕獲不到它們的蹤跡？陳國明：根據物理學標準模型和大爆炸理論，我們的宇宙起始於一次大爆炸。大爆炸剛發生時，無數的正反粒子同時產生，輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質量。這些粒子凝聚成物質，通過長時間的演化形成了星系。而希格斯粒子的使命，在137億年前的宇宙大爆炸初始就已經完成了。現在物理學家要再次尋獲希格斯粒子的蹤跡，就只有建造能量強大的對撞機，在裡面給兩束高能粒子進行加速、對撞，來模擬宇宙開始的時刻，在實驗室里重新「復活」希格斯粒子。然而每1012次的質子對撞，才可能產生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，有一顆是金沙，需要找出來。更麻煩的是，這種粒子一旦產生就轉瞬即逝，十億分之一秒後就會衰變成光子和強子等其他粒子。科學家只能通過觀測這些粒子，反推它們會不會是希格斯粒子產生後又衰變出來的。雖然時間倉促，但此次實驗結果可信度足夠高，而要確認「上帝粒子」現身可能還需繼續投入巨資科技日報：作為迄今最大、最昂貴的物理科研裝置，大型強子對撞機（LHC）就是為了尋找希格斯粒子嗎？為什麼要造這麼大的對撞機？陳國明：LHC 位於瑞士與法國交界處，加速器軌道總長27公里，投資30.68億瑞士法郎，設計能量達14萬億電子伏（14TeV）。LHC設有4個對撞點—— ATLAS、ALICE、CMS和LHCb，均有中國資金和學者的參與。其中兩個主要實驗ATLAS（超環面儀器）和CMS（緊湊繆子線圈）的目標，就是 尋找希格斯粒子和其他新的物理現象。對撞機的基本原理，是通過消耗大量能源給粒子加 速，再讓兩束具有巨大動能的粒子對撞。能量越高，粒子相互轟擊時發生的作用就越大，越容易產生希格斯粒子。此前費米實驗室的Tevatron（萬億電子伏 特加速器）和歐洲的電子對撞機從上世紀80年代開始運行，一直沒找到希格斯粒子，後來發現就是因為能量太低。因此LHC從一開始就寄託著尋找希格斯粒子的 最後希望。科技日報：去年CERN格蘭薩索實驗室過早公布未經驗證的「中微子超光速」錯誤結論，引起了學界的一些批評。這次CERN和費米實驗室如此「高調」地公布發現新粒子，是否也有追求轟動效應，甚至說在歐債危機下爭取公眾支持、爭取科研經費的考慮？陳國明：此次所用的數據截止到今年6月中旬，而6月底就要完成數據處理，得出結論。這次公布結果，可以說在時間上確實很趕，很緊張，主要原因是為了在7月7日在澳大利亞開幕的世界物理學大會之前發布，在會上迎接全球同行的審議。另一方面恐怕也有爭取公眾支持的因素。但與無心得出「中微子超光速」結論的OPERA項目不同，LHC的主要目的就是為了尋找希格斯粒子，自從2010年3月開始運轉以來也取得了這一階段所需的數據，而數據積累越多，實驗靈敏度就越高，越有可能做出發現。應該說今年收穫結果不算晚也不能算早，在預期時間之內。此 外，每個實驗都從兩個獨立衰變到找到這個新粒子，而每個衰變道都有多個獨立的研究小組得到一致的結果、CMS和ATLAS兩個實驗都取得了一致的研究結 果，2012年的結果也與2011年的一致，加上確定性水平達到5西格瑪（在統計學上為「真」的比率是99.99994%），出現「烏龍」的可能性應該說 還是很小的。至於美國費米實驗室公布的結果，在靈敏度和價值上要低於LHC，而且他們的Teratron加速器去年底已經關閉了，這次是對以前數據重新分析。科技日報：目前CERN也尚未確認這次發現的新粒子就是希格斯粒子，您認為要真正確認「上帝粒子」已經找到，還需要做哪些工作？陳國明：雖然這次發現新粒子的一些特徵，比如產率（出現幾率）、衰變模型等與之前預言的希格斯粒子相吻合，但現在統計性太少，還不能確定這個新粒子的各種特性，因此這次也可能發現的是另一種新粒子。以目前取得的數據，要最終確認希格斯粒子的存在恐怕還遠遠不夠，仍然需要更多的實驗數據積累。可能還需要再建一個高能量的直線正負電子對撞機，才能更仔細、準確地驗證這個結果。不過要建這個對撞機，耗資會相當於數百億人民幣，跟LHC差不多，需要國際合作來實現。並非所有物質理論模型都給「上帝粒子」留了位置，為了物理學的未來，必須搞清楚它的存在與否科技日報：既然希格斯粒子被稱為物理學家夢寐以求、苦苦尋覓的「聖杯」，為什麼霍金此前堅持認為希格斯粒子不存在？為什麼前幾年尋找希格斯粒子的過程中，時常會出現一些懷疑之聲？陳國明： 其實在物理學界，並不是所有人都相信希格斯粒子必定存在。像我是做實驗物理的，此前也確實不完全相信它的存在。但畢竟希格斯粒子的存在與否，事關物理學標 准模型的根基。無論相信、反對還是懷疑希格斯粒子的存在，大家都希望儘快把這個問題弄清楚，因此才會投入這麼大的項目進行研究。在 理論物理學領域，標準模型並不是唯一的金科玉律。其他還有像超對稱理論，認為存在多種希格斯粒子，且與標準模型當中的希格斯粒子有很大不同；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；但超弦理論中並沒有希格斯粒子 的位置。正因為這個，霍金才會出100美元跟人打賭說希格斯粒子並不存在，不過他打輸了。科技日報：如果這次能夠確認發現了希格斯粒子，將對物理學有哪些意義？陳國明：如果能證實這次發現的就是希格斯粒子，將是里程碑式的成就，使物理學邁出一大步。粒 子物理的標準模型之所以能被廣泛接受，就是因為這個體系中的其他粒子都已經找到，和宇宙大爆炸也不衝突，證據基礎非常紮實。而像超對稱理論中預言每種已知 的粒子都有一種伴子，但至今一種伴子都沒有找到；超弦理論同樣也沒有證據。如果能確認希格斯粒子確實存在，物理學標準模型作為理論基礎將更加堅實，從而推 動物理學家探索其他前沿問題。科技日報：當確認發現希格斯粒子之後，粒子物理學還要解釋哪些懸而未決的問題？陳國明： 即使這次終於發現了希格斯粒子，仍遠遠不意味著粒子物理學即將畫上圓滿句號。物理學標準模型不是萬能的，像暗物質、暗能量、物質與反物質不對稱等問題，它 都不能解釋。而根據現有理論，我們的宇宙組成中有73%是暗能量，23%是暗物質，只有4%是目前理論所能解釋的物質。此外，目前人們認為夸克和輕子是最基本的粒子，它們是否還由更小的粒子組成，是否能組成不同於質子、中子的其他形態，也還需要進一步的研究。科技日報：如果證明希格斯粒子不存在，或者這次發現了一種不符合現有理論的新粒子，是否會像19世紀末催生量子力學和相對論的經典物理學「兩朵烏雲」（邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗）那樣，給現代物理學體系帶來革命性的衝擊？陳國明：這次發現的結果，並不能完全排除發現的是超對稱希格斯粒子或其他的粒子。如果是這樣，可能確實會給物理學理論體系造成不亞於類似「兩朵烏雲」的重大衝擊，像媒體說的那樣「大廈將傾」。不過，這次發現標準模型預言的希格斯粒子，概率還是很高的。專家簡介陳國明1958年生，浙江天台人，現為中國科學院高能物理研究所研究員。主要研究方向為粒子物理實驗，目前參與國際空間站阿爾法磁譜儀（AMS）的反物質和暗物質研究、歐核中心大型強子對撞機的緊湊繆子線圈（CMS）項目。文/科技日報
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