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揭开“上帝粒子”的面纱
来源:中国科学报 作者:倪思洁 发表时间:2014-12-25 09:16:03
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希格斯认为,就像苍蝇被蜜糖黏住一样,在137亿年前的宇宙大爆炸中,其他粒子处在一种由特殊粒子构成的场中,并受其作用而无法以光速穿过宇宙,从而获得质量,结合在一起。这种特殊的粒子比原子小,后来被称为“希格斯粒子”。

 

如果把一个东西切得越来越小,会发生什么?

 

“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”在以庄子为代表的中国古代朴素唯物观中,物质可以被无穷尽地分割。不过,这种观点一直未获实验证明。那么,物质的最小单元究竟是什么?

 

为探索这一问题,物理学家提出了粒子物理学的标准模型。这个模型对已知基本粒子进行了分类,并预言了若干新粒子。但在探索这一模型的过程中,物理学家遇到另一个严峻的问题——标准模型中的粒子在理论上都不具有质量,但现实中它们是具有质量的。那么,质量从何而来?

 

于是,关于希格斯粒子的预言出现了。物理学家认为,希格斯粒子赋予这些基本粒子质量。也正因这个特性,希格斯粒子被大众赋予了一个“外号”——“上帝粒子”。

 

2013年10月8日,两位欧洲物理学家——弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因为预测了上帝粒子的存在,被瑞典皇家科学院授予诺贝尔物理学奖。

 

2014年的整整一年里,对上帝粒子的观测已然位列物理研究“热门排行榜”之首。以中科院为主要机构的中国科学家也紧跟这一研究前沿。

 

发现“最后”一个粒子

 

早期的物理教科书中,原子被认为是物质世界最微小的存在。随后,物理学家发现,原子还能分。

 

粒子物理学标准模型预言,“基本粒子”才是最小的粒子。1995年,当美国的费米实验室宣布其发现了顶夸克粒子时,组成标准模型的61个基本粒子中,有60个已得到实验验证。

 

至此,仅一步之遥,预言便能圆满。而最后的那个粒子,就是来无影去无踪、一出现便会迅速衰变成其他粒子的希格斯粒子。关于它的预言,能解释一个困扰科学家许久的问题:粒子的质量到底从何而来?

 

面对困惑,无数种猜想随之而生。1964年,包括彼得·希格斯在内的3位欧洲物理学家,提出了一个新想法,预言了希格斯粒子的存在。

 

希格斯认为,就像苍蝇被蜜糖黏住一样,在137亿年前的宇宙大爆炸中,其他粒子处在一种由特殊粒子构成的场中,并受其作用而无法以光速穿过宇宙,从而获得质量,结合在一起。这种特殊的粒子比原子小,后来被称为“希格斯粒子”。

 

“好比人在水里行走时,水对腿的阻力会让人感觉腿很重。”北京大学物理学院教授冒亚军在接受记者采访时如是形容这种获得质量的感觉。

 

2012年7月,欧洲核子中心(CERN)向世界宣布,他们探测到了希格斯粒子衰变成其他粒子的迹象,证实希格斯粒子确实存在。

 

消息一出,物理学界为之震动。一年后,预言“上帝粒子”的3位欧洲物理学家中还在世的两位,摘得了诺贝尔物理学奖。对希格斯粒子的观测和研究也由此成为热点。

 

一切还只是开始

 

预言被证实,让科学家兴奋不已。不过,这依旧没让他们满意。

 

“标准模型不能解释暗物质。”中科院高能物理所研究员陈国明告诉记者,“宇宙学研究预示着宇宙中存在大量特殊物质,这种物质能产生引力,但不发光,也不反射光,被称为暗物质,而这是标准模型无法解释的。”

 

正因如此,探索之路远没到终点。“标准模型肯定还有问题。”陈国明说。

 

物理研究,总是充满想象。在数不尽的各种模型中,与标准模型同处聚光灯之下的,还有另一个模型——超对称模型。

 

1966年,为补充标准模型的漏洞,日本粒子物理学家宫沢弘成首次提出超对称理论,其被认为可解释暗物质的存在。但这个被物理学家公认为“优美”的模型,有个“致命伤”——从未被实验证实。

 

CERN的大型强子对撞机(LHC)实验工作组成员约旦·纳什曾满脸失望地说:“我们至今未能找到任何直接或间接的证据证明这一理论。这说明要么我们对这一理论的理解是不全面的,要么它的本质和我们所想还存在差异,再或者就是这种超对称的粒子根本就不存在。”

 

不过,LHC的改造升级,为寻找超越标准模型的新物理现象带来了新的希望。

 

升级后的LHC,能输出的最大能量将从过去的8万亿电子伏特,提升到13万亿电子伏特。不仅如此,对撞的粒子束将更密集,使对撞更加猛烈。这些将成为发现新物理现象的“好帮手”。在今后的15~20年里,LHC预期将获得大约比现在多100倍的数据。

 

陈国明告诉记者,一旦发现新的物理现象,超越标准模型的其他设想就有了被证实的可能,更多的物理现象也将得到解释。

 

“我们现在对希格斯粒子性质的测量还不够精确、深入。这次改造完成后,LHC还将进行多次升级,预期未来将会发现更多重要的物理现象。”中科院院士陈和生说。

 

“中国队”的蜕变

 

25年前,陈国明还是中科院高能物理所的博士生。跟着导师唐孝威的步伐,并在陈和生的指导下,他成为CERN的一员,踏上了找寻上帝粒子之旅。那一年,他30岁出头。

 

25年后的今天,高能所培养的博士陈明水不仅成了CERN的一员,还担任了紧凑μ子线圈(CMS)实验国际合作组希格斯粒子综合分析组组长。2012年,CMS内部决定性的、对希格斯粒子发现的评审报告,就是由他作的。那时,他也在30岁出头的年纪。

 

在陈国明的记忆里,这是蜕变的25年。

 

“1989年,跟国际上的科研人员相比,我们就是学生。刚开始时,数据来了,我却眼前一抹黑,不知道怎么弄。”那时,陈国明还在美籍华裔诺贝尔物理学奖获得者丁肇中领导的正负电子对撞机(LEP)L3实验组工作。

 

令人欣慰的是,这种“学生时代”到LEP项目后期时结束了。“到LHC阶段时,我们和欧美科研人员就可以站在竞争合作的平台上了。”陈国明说。

 

陈和生告诉记者,从2004年起,中国科学院、国家自然科学基金委、科技部等机构,对寻找希格斯粒子的物理研究准备工作给予了很大支持。“最近,国家自然科学基金委作了安排,支持我们参与探测器的改造升级,包括2017~2018年一期改造升级的准备工作,以及2023年左右二期改造升级的前期预研工作。”陈和生说。

 

“在希格斯粒子的寻找上,我们贡献的比例已超过我们参与国际合作人数的比例。”陈和生说。

 

他介绍说,目前围绕着寻找希格斯粒子开展的实验中,中国主要参与了CMS和超环面仪器(ATLAS)两个大型实验。其中,参加CMS的有中科院高能所、北京大学和清华大学;参与ATLAS的除了中科院高能所,还有中国科学技术大学、上海交通大学、南京大学、山东大学等高校。

 

“我们的队伍还在不断扩大。”陈和生说。

 

如今,中国的高能粒子研究领域中,还有不少30岁出头的年轻科学家,走在找寻上帝粒子的征途上。

 

从古至今,人类一直在揣测,我们生存的世界到底是什么样子的?我们究竟从哪里来?2014年,物理学领域的研究热点,仍在为解决这样的哲学问题而努力。

 

早在2010年3月30日,瑞士日内瓦欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)首次实现创纪录的高能量质子对撞,标志着人类对微观世界探索的新时代到来。LHC上的两个大规模实验——ATLAS和CMS,将最重要的物理目标锁定为寻找希格斯粒子,以及观测超出标准模型的新物理现象。

 

2012年7月,CERN宣布,ATLAS和CMS两个实验发现质量为125~126 GeV的“类似希格斯粒子”。2012年9月,这些研究成果发表。截至2013年年底,这两篇论文的被引频次为1905次,为2012~2013年间发表的被引频次最多的物理学研究论文,成为2013年物理学领域的新兴前沿。

 

2014年,这一新兴前沿依旧热门。那些正在观测希格斯粒子的科学家试图揭开“上帝”的面纱,将人类对物质世界的认识向前推一步。

 

对包括希格斯粒子观测在内的微观世界探索,我国未曾落下。1998年,国家自然科学基金委代表中国,与CERN签订合作协议,参与LHC实验国际合作。中国相关机构对这两个实验中的探测器建造、数据分析和物理研究作出了重要贡献。

 

2015年的春天,LHC升级改造将会完成,这将成为物理学界的又一盛典。谁又能知道,届时这台受世界瞩目的设备,会碰撞出怎样不可思议的新现象。无论是惊喜,还是困惑,对希格斯粒子特性的研究一定会将人类的认知向前推进一步。

【责任编辑:贤中】

标签:宇宙大爆炸 上帝粒子 希格斯粒子 大型强子对撞机

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