尋找“上帝粒子”

李昆侖

1964年，英國粒子物理學家彼得?希格斯寫了兩篇論文，投給著名學術期刊《物理評論快報》，然而該刊只接受了其中的第一篇，第二篇只有兩頁的論文被退了回來。美籍日裔物理學家南部陽一郎看了希格斯的第二篇論文后感覺很有意思，建議他在文中解釋一下他提出的“希格斯場理論”的物理學意義。于是，希格斯在文章中加了一段：“希格斯場的激發(fā)，將會猶如海洋中的波浪一樣，產(chǎn)生一種新的粒子……”不久，《物理評論快報》重新審核并發(fā)表了修改后的文章。文中所描述的新的粒子后來被稱為“希格斯玻色子”或“希格斯粒子”。

南部陽一郎因為發(fā)現(xiàn)“亞原子物理學中的自發(fā)對稱性破缺機制”而獲得2008年諾貝爾物理學獎。而距希格斯提出“希格斯場理論”半個世紀過去了，南部陽一郎曾工作過的美國費米國家實驗室直到最近也只發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的“蛛絲馬跡”—— 3月7日，該實驗室宣布，經(jīng)過窮盡數(shù)據(jù)分析以后，他們已接近證實希格斯玻色子的存在，這個結論的最后確認，有望在今年之內(nèi)實現(xiàn)。

“該死的粒子”或“上帝粒子”

無論大千世界多么豐富多彩，組成它的物質(zhì)都是由夸克、電子、光子等基本粒子組成的。基本粒子之間存在著引力、電磁力、弱力和強力四種自然力的相互作用。然而，物理學家一直力圖找到把四種自然力統(tǒng)一起來的途徑，以證明宇宙具有一種基本的統(tǒng)一性。比如，電磁力就是早期由法拉第和麥克斯韋把電力和磁力統(tǒng)一起來的結果。愛因斯坦的貢獻是解決了引力的問題，他的后半生一直致力于進一步把電磁力和引力統(tǒng)一起來，但最終未果。美國理論物理學家格拉肖從數(shù)學公式對弱力和電磁力的描述中看出它們在某些方面具有相似性，但是讓格拉肖不解的是，弱力的作用非常微小，但是傳遞弱力的粒子的質(zhì)量卻很重。希格斯論文中提出的設想，為解決格拉肖所無法理解的問題提供了新的思路，同時，也可以解釋質(zhì)量起源的基本問題。

根據(jù)希格斯的理論，基本粒子通過和一種看不見、卻又似乎無處不在的場發(fā)生相互作用來獲取質(zhì)量；相互作用越多，粒子獲得的質(zhì)量也越大。在1993年，英國科學家們還很難向政府解釋希格斯所描述的這一現(xiàn)象，為此，英國科學部長威廉?渥德格雷發(fā)起一場全國競賽，尋找對希格斯場最好最通俗的解釋。結果，倫敦大學學院的物理學家大衛(wèi)?米勒成為獲勝者之一。米勒將希格斯場比喻成在一個房間內(nèi)正在舉行聚會的政治團體。當一個普通人走進房間的時候，不會引起別人注意，他會沒有任何阻力地在房間來回走動。然而如果走進來的是當時的英國首相瑪格麗特?撒切爾，情況則會大為不同。許多人會走上來，圍起來，使得撒切爾首相放慢腳步，這就像是給了撒切爾首相一種“質(zhì)量”， 這時被圍著的首相具有很大的慣性，而慣性正是質(zhì)量的物理屬性。

英國理論物理學家約翰?埃利斯則對希格斯場做過這樣的比喻：把希格斯場想象成一片雪地，如果你想徒步穿越，你將會陷入雪地，并且要花很長時間才能走出去；若是穿上一雙雪鞋，你的速度將大大加快；而如果使用雪橇，你則可以輕松快速地穿過雪地。對應到物理學上來，粒子的質(zhì)量來源于某種基本的物理屬性，意義上等同于雪鞋或雪橇，這種屬性直接影響到粒子穿過希格斯場的方式。希格斯場正是被賦予了這種屬性的場，它決定了一個粒子，是如光子一樣在空中輕松飛行， 還是像笨重的質(zhì)子那樣運動。而希格斯粒子是希格斯場的“海洋”中掀起的“波浪”。

然而這樣的粒子目前還只是科學家的一種假設，并沒有從實驗中得到證實。該粒子的重要性及其發(fā)現(xiàn)難度，使諾貝爾獎獲得者利昂?萊德曼打算用“該死的粒子”來稱呼希格斯粒子，并以此作為一本著作的名稱。然而出版商認為，如果書名改為“上帝粒子”，則可能有助于圖書的銷量。經(jīng)過協(xié)商，該書最終以“上帝粒子”命名。希格斯粒子無處不在，但又找不到它，這很容易讓人想到上帝的存在，所以很多科學家對于“上帝粒子”這個名稱，也跟著“牽強附會”了一把。

不再是“謠言”？

目前，全世界主要有兩大機構在尋找希格斯粒子。一個是位于法國和瑞士交界處的歐洲核子研究中心，它建有世界上最大質(zhì)子-質(zhì)子對撞機LHC。在這里，加速器將粒子幾乎加速到光速，在探測器中實現(xiàn)對撞，并記錄所撞出的粒子。另一個就是美國的費米國家實驗室，該實驗室是美國最大的高能物理研究實驗室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心。

去年秋天，費米實驗室的萬億電子伏加速器Tevatron因為經(jīng)費問題而關閉，然而該實驗室積累了大量可供科學家進行分析的數(shù)據(jù)。3月初，費米實驗室的科學家宣稱，他們最新數(shù)據(jù)分析的結果顯示，希格斯粒子可能存在于115GeV??135GeV之間，置信度為2.2個標準偏差，這一數(shù)據(jù)意味著該實驗有1/36的幾率是誤報或者噪音。在科學界，置信度5個標準偏差的實驗結果才被視為正式發(fā)現(xiàn)。費米實驗室的觀測數(shù)據(jù)來自于安裝在Tevatron上的兩個探測器，它們采用不同的技術捕捉和分析新粒子的信息。

和費米國家實驗室類似，歐洲核子研究中心的對撞機上也在不同位置安裝了不同的探測器，以相互驗證實驗數(shù)據(jù)。不同之處在于，歐洲核子研究中心采用的是通過質(zhì)子和質(zhì)子對撞，來分析產(chǎn)生輕子和光子過程中的數(shù)據(jù)；而費米實驗室采用的是通過撞擊質(zhì)子和反質(zhì)子，來分析產(chǎn)生底夸克和反底夸克過程中的數(shù)據(jù)。

在過去幾年里，關于希格斯粒子存在的“謠言”在歐洲核子研究中心和美國費米國家實驗室常?！伴W現(xiàn)”，然而經(jīng)常出現(xiàn)的情況是，一組科學家發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的跡象，另一組科學家則發(fā)現(xiàn)相反的結果，科學家們始終在證明“上帝粒子”存在的證據(jù)上難以步調(diào)一致。

然而這次的情況與以往不同。去年12月13日，歐洲核子研究中心LHC上的兩個探測器的科學家宣布，他們分別發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量在126GeV到124GeV區(qū)間的“上帝粒子”的線索。費米實驗室近期公布的實驗結果則和歐洲去年的這個發(fā)現(xiàn)大致吻合。這是不同對撞機、不同探測器、不同科學機構在發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”跡象方面第一次取得大致相同的結果。雖然這些發(fā)現(xiàn)還不能讓科學家們宣告勝利，但這足以讓他們期待今年就可能有最終的結果。

等待“上帝粒子”現(xiàn)身

根據(jù)當代粒子物理學的“標準模型”，空間充斥著一種神秘的物質(zhì)，稱為希格斯場，和電磁場和引力場不同的是，希格斯場的強度在空間的每一處都嚴格相同，而變化的只是各種不同的基本粒子與它的作用方式。正是這些作用方式，給基本粒子賦予了質(zhì)量。如果沒有了質(zhì)量和與之息息相關的作用力，我們的星系、恒星、包括我們自己都不會產(chǎn)生。

標準模型所設想的62種基本粒子中，希格斯玻色子是目前唯一尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學家相信，它是所有物質(zhì)的質(zhì)量之源，是促成宇宙形成的重要粒子，但是極難被發(fā)現(xiàn)和分辨，因而有人形容它是物理學家的“圣杯”。

“現(xiàn)在的這個結果更加強了人們對今年下半年可能發(fā)現(xiàn)的期待。如果真的如期發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，一方面說明標準模型非常完美，但另一方面也限制了發(fā)現(xiàn)所謂超出標準模型的新物理的可能性，”清華大學物理系教授王青對《中國新聞周刊》表示，“反之，如果沒能發(fā)現(xiàn)標準模型中的希格斯粒子，那么就存在非標準模型希格斯粒子的可能性，并且，也有不存在希格斯粒子的可能性。那就意味著目前粒子物理的標準模型是不完備的，有超出它的新東西存在。”

在物理學界，一些科學家對希格斯粒子是否存在表示懷疑。坐在輪椅上通過電子儀器“說話”的物理學家斯蒂芬?霍金就打賭說，“上帝粒子”并不存在。當然，希格斯本人對自己的理論充滿信心，他已經(jīng)準備好了用來慶祝的香檳。

中國科學院高能物理研究所教授刑志忠對“上帝粒子”持不同態(tài)度的科學家進行了有意思的歸納：幸災樂禍的、起哄架秧子的、誓死捍衛(wèi)希格斯的，如今已經(jīng)亂作一團。很顯然，不相信希格斯的，都是些惟恐天下不亂的新物理信徒；相信可能存在希格斯的，則包括那些對“超對稱”情有獨鐘的理論家。