捕捉“上帝粒子”：一場人類智慧的接力賽

松園

對粒子物理學(xué)家們來說，證明希格斯玻色子的存在固然皆大歡喜，證明希格斯玻色子不存在也同樣可喜可賀，因?yàn)檎嫦嗟某霈F(xiàn)就是勝利……

“缺席”的玻色子

宇宙大爆炸理論雖然相對合理地解釋了有關(guān)宇宙起源的種種困惑，但對宇宙中的物質(zhì)如何演變，恒星和星系如何形成則要仰仗經(jīng)典力學(xué)理論的幫助才能予以回答。當(dāng)年牛頓看見蘋果從樹上落下后深受啟發(fā)，從而發(fā)現(xiàn)了萬有引力，正是這個(gè)萬有引力在引導(dǎo)物質(zhì)聚集成恒星、行星和星系。但物質(zhì)為什么有引力呢？牛頓回答說，因?yàn)槲镔|(zhì)有質(zhì)量，它是物質(zhì)因空間變化而產(chǎn)生的一種效應(yīng)。但物質(zhì)為什么有質(zhì)量呢？牛頓沒有進(jìn)一步解釋了。這個(gè)問題從此遺留下來，這就是人們至今依然在試圖破解的一個(gè)科學(xué)難題——質(zhì)量之謎，盡管答案也似乎就在眼前。

古希臘哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為，物質(zhì)的最小單位是原子，而原子是不可分的，他的這種原子論思想后來被伊壁鳩魯?shù)热怂^承，發(fā)展成了近代的科學(xué)原子論。但不可分思想并不正確，笛卡爾就否認(rèn)原子的不可分性?，F(xiàn)代物理學(xué)揭示的物質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示，物質(zhì)是由分子組成的，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，而原子核又由質(zhì)子和中子組成。現(xiàn)在我們知道，質(zhì)子和中子也并非不可分，它們由更小的粒子——夸克組成。這樣一來，由于人類對自然界物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的日益深入，人們便逐漸認(rèn)識到，自然界中除了引力外，還有另外三種力，即電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。這三種力是微觀現(xiàn)象，并沒有像萬有引力那樣在理論上得到很好的解釋，于是理論物理學(xué)家們便嘗試在人類迄今發(fā)現(xiàn)最小粒子的基礎(chǔ)上建立一種 “標(biāo)準(zhǔn)模型”。有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，人們就有了一個(gè)統(tǒng)一的理論來解釋這三種力了。

今天，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)成了粒子物理學(xué)的主流理論，它的很多預(yù)言已經(jīng)被證實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子的存在，其中的一大類叫“費(fèi)米子”，它們是組成物質(zhì)的粒子，另一大類為“玻色子”，它們是傳遞各種作用力的粒子。打比方說，質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，所以它們是費(fèi)米子；光子傳遞電磁力，所以屬玻色子。這樣一來，假若將費(fèi)米子和玻色子結(jié)合起來研究，人們就可以描述微觀物質(zhì)及它們之間力的作用了。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，人們已經(jīng)找到了多種玻色子，它們是傳遞電磁力的光子、傳遞弱核力的W玻色子及Z玻色子、傳遞強(qiáng)核力的8種膠子，這些玻色子被統(tǒng)稱為“規(guī)范玻色子”。但“規(guī)范玻色子”沒有解釋物質(zhì)如何具有了質(zhì)量，所以標(biāo)準(zhǔn)模型無法最終“修成正果”，因?yàn)橘|(zhì)量是宇宙形成的關(guān)鍵因素，而現(xiàn)在，賦予基本粒子以質(zhì)量的玻色子“缺席”了，宇宙的演化就無法解釋。

希格斯的粒子海洋

上世紀(jì)60年代，一位英國科學(xué)家不失時(shí)機(jī)地出現(xiàn)在了科學(xué)史的舞臺上，他叫彼得·希格斯，他出生于英格蘭，1960年畢業(yè)于倫敦國王學(xué)院。希格斯在愛丁堡大學(xué)任教期間首先對質(zhì)量問題產(chǎn)生了興趣。1964年的一天，散步中的希格斯忽然產(chǎn)生了一個(gè)想法：在宇宙大爆炸剛發(fā)生的時(shí)候，粒子是沒有質(zhì)量的。在這樣的宇宙中，粒子只會以光速穿越宇宙，并不能結(jié)合起來組成其他物質(zhì)。但隨著宇宙的冷卻，一個(gè)看不見的能量場形成了?，F(xiàn)在，人們把這個(gè)能量場稱為“希格斯場”。按照希格斯的想法，這個(gè)能量場是由一種能吸附基本粒子，阻礙粒子運(yùn)動(dòng)并使它們獲得質(zhì)量的粒子構(gòu)成的。這種粒子是一種不規(guī)范的玻色子，人們在今天稱之為“希格斯玻色子”。

現(xiàn)在我們可以把希格斯場設(shè)想成一個(gè)浩瀚的海洋，而希格斯玻色子就是海洋中構(gòu)成海水的水分子。水對于在水中運(yùn)動(dòng)的物體具有阻礙作用，而希格斯場也是這樣，由于希格斯玻色子的存在，它對于大部分基本粒子具有阻力，這種阻力使基本粒子不能以光速運(yùn)動(dòng)，這種阻力還因基本粒子的不同而在大小上有所不同，所以希格斯玻色子不僅賦予不同的基本粒子以質(zhì)量，而且那些基本粒子得到的質(zhì)量也是各不相同的。有些不與其他粒子發(fā)生作用的基本粒子就完全沒有質(zhì)量，例如光子不受希格斯場的阻礙，所以光子能毫無阻礙地以光速穿越希格斯場。總之，希格斯認(rèn)為，從理論上講，粒子可以沒有質(zhì)量，但宇宙大爆炸發(fā)生后不久，希格斯場的出現(xiàn)使粒子在與希格斯玻色子的相互作用中獲得了質(zhì)量，也正是由于希格斯玻色子的這種作用，宇宙才產(chǎn)生了恒星和行星，孕育出了今天的大千世界。

希格斯玻色子解釋了宇宙大爆炸發(fā)生后，基本粒子如何具有了質(zhì)量，再聚合成各種其他物質(zhì)，從而形成我們今天看到的宇宙，所以它解決的是宇宙起源和演化的基本問題。正因?yàn)槿绱耍８袼共Ｉ雍髞砭陀辛恕吧系哿Ｗ印钡拿婪Q。不過希格斯本人不喜歡這個(gè)詞，他聲稱，作為一個(gè)無神論者，他不喜歡“上帝”這種稱謂，但用他自己的名字命名為“希格斯玻色子”，他也表示反對。

據(jù)說，希格斯有了上述想法后，就把這些內(nèi)容寫成論文，投給了美國物理學(xué)會的《物理快報(bào)》，但卻慘遭拒絕。于是他又把論文轉(zhuǎn)投給美國期刊《物理學(xué)評論》，這是希格斯有關(guān)玻色子設(shè)想的第一次公開發(fā)表。與此同時(shí)，另有5位科學(xué)家也得出了類似的結(jié)論。在《物理學(xué)評論》上，包括希格斯在內(nèi)的這6位科學(xué)家分別發(fā)表了各自的論文，這些論文現(xiàn)在被認(rèn)為是該領(lǐng)域具有里程碑意義的文獻(xiàn)。

然而希格斯玻色子依然只是一個(gè)猜想，要證明這個(gè)猜想就必須找到這種粒子。問題是現(xiàn)實(shí)世界中，這種奇妙的粒子是否果真存在呢？

征服“核力”

尋找未發(fā)現(xiàn)的新粒子，除了可在宇宙中去尋找外，還有一個(gè)更妙的辦法，那就是用兩種微觀粒子相撞，或者用微觀粒子去撞擊其他的物質(zhì)的方法去尋找。1919年，英國物理學(xué)家盧瑟福用α粒子轟擊氮核，從氮核中打出了一種粒子，并測定了它的電荷與質(zhì)量，這就是質(zhì)子。1932年，另一位英國物理學(xué)家查德威克用放射性元素鈹?shù)纳渚€轟擊氮、氬元素的原子核。查德威克由此發(fā)現(xiàn)，鈹發(fā)出的射線不是γ射線，而是一種質(zhì)量與質(zhì)子相近，但卻不帶電荷的中性粒子，這就是中子。

質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到，了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，可以用把物質(zhì)盡可能地打碎，使物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生最大限度變化的方法來了解物質(zhì)的基本性質(zhì)。這一認(rèn)識促使了粒子加速器的出現(xiàn)，它的作用就是產(chǎn)生高速粒子，從而改變原子核，以便人們探索物質(zhì)內(nèi)部的奧秘。為了達(dá)到這一目的，粒子加速器需要克服原子核內(nèi)部的“核力”，這是一種強(qiáng)相互作用力，能把粒子束縛得很緊?？朔@種力需要巨大的能量。因而，隨著人類對物質(zhì)世界探索的日益深入，粒子加速器的規(guī)模也就越來越大，能量也會越來越高，但即使如此，它仍不能滿足研究的需要，粒子加速器依然在不斷改進(jìn)。

歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)就是在這種背景下興建的，它是現(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加速器，也是人類迄今制造的最龐大的機(jī)器。為了建造這架機(jī)器，從構(gòu)想到建成，人類用了20年時(shí)間，耗資100億美元，無數(shù)科學(xué)家為這項(xiàng)人類最偉大的科學(xué)工程付出了辛勤的汗水。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)位于法國和瑞士邊境地區(qū)100米深的地下，它內(nèi)部的圓形隧道有27千米長，是供質(zhì)子加速的，堪稱地球上最長的“跑道”。當(dāng)其中的超導(dǎo)磁鐵把質(zhì)子加速到接近光速時(shí)，質(zhì)子就在“跑道”中相撞，由此產(chǎn)生的超級高溫環(huán)境酷似宇宙大爆炸，釋放出大量能量和基本粒子，冷卻后再形成質(zhì)子和中子。

簡單地說，制造大型強(qiáng)子對撞機(jī)的目的就是在地球上還原一個(gè)微型的宇宙大爆炸的場景。當(dāng)宇宙大爆炸的環(huán)境在對撞機(jī)中形成后，科學(xué)家們便能從中研究宇宙起源和演化的許多問題，驗(yàn)證當(dāng)代物理學(xué)領(lǐng)域中的各種理論和猜想，例如尋找看不見的暗物質(zhì)和暗能量，尋找由電荷相反的基本粒子組成的反物質(zhì)，驗(yàn)證高次元空間是否存在等等。當(dāng)然，尋找神奇的質(zhì)量之源——希格斯玻色子自然也成為其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

粒子物理學(xué)的“繼往開來”

在歐洲核子研究中心，運(yùn)行大型強(qiáng)子對撞機(jī)尋找希格斯玻色子的科學(xué)家從事著兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，分別是在超導(dǎo)環(huán)場探測器和“緊湊型繆子線圈”探測設(shè)備上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。2008年8月，大型強(qiáng)子對撞機(jī)開始運(yùn)行?？茖W(xué)家們預(yù)測，如果希格斯玻色子真的存在，人們應(yīng)該從加速器的數(shù)據(jù)上讀出來。然而那種數(shù)據(jù)并沒有出現(xiàn)，這讓人十分困惑，尋找希格斯玻色子的工作一開始并不順利。

2011年7月22日，超導(dǎo)環(huán)場探測器和“緊湊型繆子線圈”探測設(shè)備再次以接近光速的速度撞擊了超過180萬億個(gè)質(zhì)子，兩個(gè)小組都聲稱發(fā)現(xiàn)了疑似的希格斯玻色子。然而不到一個(gè)月，歐洲核子研究中心也宣布說，一些跡象表明，這種粒子也許真的不存在，于是失望的情緒再次襲來。如果希格斯玻色子真的不存在，那么科學(xué)家們就要重新審視標(biāo)準(zhǔn)模型，并將目光轉(zhuǎn)向物理學(xué)研究的新方向。

但科學(xué)家們并沒有放棄，同時(shí)決定在2012年以更高的能量運(yùn)行大型強(qiáng)子對撞機(jī)，他們認(rèn)為提高能量也許有助于找到希格斯玻色子。2012年7月4日，好消息終于傳來，歐洲核子研究中心宣布他們發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，其行為方式和標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯玻色子相似。他們找到了嗎？

假若真的產(chǎn)生了希格斯玻色子，它應(yīng)當(dāng)是不穩(wěn)定的，會迅速衰變，即變?yōu)楦臃€(wěn)定、質(zhì)量更小的粒子?？茖W(xué)家們需要對這些衰變產(chǎn)物進(jìn)行分析，同時(shí)從被撞擊后的粒子碎片中尋找疑似的希格斯玻色子的蹤跡。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，科學(xué)家們可能發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量和希格斯玻色子相當(dāng)接近的新粒子，但是否就是希格斯玻色子，還得做進(jìn)一步研究才能斷定。

總之，似乎曙光已顯現(xiàn)，勝利已在望了。早在十幾年前，當(dāng)美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時(shí)，人們已經(jīng)準(zhǔn)備在迎接粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后勝利了，因?yàn)轫斂淇说陌l(fā)現(xiàn)意味著標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的62個(gè)基本粒子中61個(gè)已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索眼看就要贏得一場完美的勝利了。

然而這最后一個(gè)粒子——希格斯玻色子的缺席使一場歡慶勝利的聚會遲遲不能開場，并且一直拖延到今天?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”這幢粒子物理學(xué)的宏偉大廈也由于缺少這最后一塊基石而顯得岌岌可危。因?yàn)槿绻C明希格斯玻色子并不存在，那么整座標(biāo)準(zhǔn)模型的“大廈”就要推倒重建。事實(shí)上，為了尋找這種猜想中的粒子，人類已艱難探索了幾十年，投入的資金也不計(jì)其數(shù)。

不過人們早已知道，在探索真理的道路上，從來就是布滿荊棘。對粒子物理學(xué)家們來說，證明希格斯玻色子的存在固然皆大歡喜，證明希格斯玻色子不存在也同樣可喜可賀，因?yàn)檎嫦嗟某霈F(xiàn)就是勝利。

現(xiàn)在，歐洲核子研究中心傳來的消息似乎表明，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的科學(xué)大廈就要竣工了，這是人類探索精神挑戰(zhàn)物質(zhì)世界的偉大勝利。但即使如此，也并不表示人類已經(jīng)解開了粒子物理學(xué)的所有謎題，而僅僅是一個(gè)繼往開來新時(shí)代的開始。接下來，科學(xué)家們將要面臨更多的難題，例如，弄清暗物質(zhì)和暗能量的結(jié)構(gòu)，尋找反物質(zhì)、反宇宙等等。人類探索未知世界的腳步是永遠(yuǎn)也不會停息的。