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寻找“上帝粒子”

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zoޛ)j_zͶiM<߿iun大学学院的物理学家大卫•米勒成为获胜者之一。米勒将希格斯场比喻成在一个房间内正在举行聚会的政治团体。当一个普通人走进房间的时候,不会引起别人注意,他会没有任何阻力地在房间来回走动。然而如果走进来的是当时的英国首相玛格丽特•撒切尔,情况则会大为不同。许多人会走上来,围起来,使得撒切尔首相放慢脚步,这就像是給了撒切尔首相一种“质量”, 这时被围着的首相具有很大的惯性,而惯性正是质量的物理属性。

英国理论物理学家约翰•埃利斯则对希格斯场做过这样的比喻:把希格斯场想象成一片雪地,如果你想徒步穿越,你将会陷入雪地,并且要花很长时间才能走出去;若是穿上一双雪鞋,你的速度将大大加快;而如果使用雪橇,你则可以轻松快速地穿过雪地。对应到物理学上来,粒子的质量来源于某种基本的物理属性,意义上等同于雪鞋或雪橇,这种属性直接影响到粒子穿过希格斯场的方式。希格斯场正是被赋予了这种属性的场,它决定了一个粒子,是如光子一样在空中轻松飞行, 还是像笨重的质子那样运动。而希格斯粒子是希格斯场的“海洋”中掀起的“波浪”。

然而这样的粒子目前还只是科学家的一种假设,并没有从实验中得到证实。该粒子的重要性及其发现难度,使诺贝尔奖获得者利昂•莱德曼打算用“该死的粒子”来称呼希格斯粒子,并以此作为一本著作的名称。然而出版商认为,如果书名改为“上帝粒子”,则可能有助于图书的销量。经过协商,该书最终以“上帝粒子”命名。希格斯粒子无处不在,但又找不到它,这很容易让人想到上帝的存在,所以很多科学家对于“上帝粒子”这个名称,也跟着“牵强附会”了一把。

不再是“谣言”?

目前,全世界主要有两大机构在寻找希格斯粒子。一个是位于法国和瑞士交界处的欧洲核子研究中心,它建有世界上最大质子-质子对撞机LHC。在这里,加速器将粒子几乎加速到光速,在探测器中实现对撞,并记录所撞出的粒子。另一个就是美国的费米国家实验室,该实验室是美国最大的高能物理研究实验室,在世界上仅次于欧洲核子研究中心。

去年秋天,费米实验室的万亿电子伏加速器Tevatron因为经费问题而关闭,然而该实验室积累了大量可供科学家进行分析的数据。3月初,费米实验室的科学家宣称,他们最新数据分析的结果显示,希格斯粒子可能存在于115GeV??135GeV之间,置信度为2.2个标准偏差,这一数据意味着该实验有1/36的几率是误报或者噪音。在科学界,置信度5个标准偏差的实验结果才被视为正式发现。费米实验室的观测数据来自于安装在Tevatron上的两个探测器,它们采用不同的技术捕捉和分析新粒子的信息。

和费米国家实验室类似,欧洲核子研究中心的对撞机上也在不同位置安装了不同的探测器,以相互验证实验数据。不同之处在于,欧洲核子研究中心采用的是通过质子和质子对撞,来分析产生轻子和光子过程中的数据;而费米实验室采用的是通过撞击质子和反质子,来分析产生底夸克和反底夸克过程中的数据。

在过去几年里,关于希格斯粒子存在的“谣言”在欧洲核子研究中心和美国费米国家实验室常常“闪现”,然而经常出现的情况是,一组科学家发现了希格斯粒子的迹象,另一组科学家则发现相反的结果,科学家们始终在证明“上帝粒子”存在的证据上难以步调一致。

然而这次的情况与以往不同。去年12月13日,欧洲核子研究中心LHC上的两个探测器的科学家宣布,他们分别发现了一种质量在126GeV到124GeV区间的“上帝粒子”的线索。费米实验室近期公布的实验结果则和欧洲去年的这个发现大致吻合。这是不同对撞机、不同探测器、不同科学机构在发现“上帝粒子”迹象方面第一次取得大致相同的结果。虽然这些发现还不能让科学家们宣告胜利,但这足以让他们期待今年就可能有最终的结果。

等待“上帝粒子”现身

根据当代粒子物理学的“标准模型”,空间充斥着一种神秘的物质,称为希格斯场,和电磁场和引力场不同的是,希格斯场的強度在空间的每一处都严格相同,而变化的只是各种不同的基本粒子与它的作用方式。正是这些作用方式,給基本粒子赋予了质量。如果没有了质量和与之息息相关的作用力,我们的星系、恒星、包括我们自己都不会产生。

标准模型所设想的62种基本粒子中,希格斯玻色子是目前唯一尚未被发现的粒子。物理学家相信,它是所有物质的质量之源,是促成宇宙形成的重要粒子,但是极难被发现和分辨,因而有人形容它是物理学家的“圣杯”。

“现在的这个结果更加强了人们对今年下半年可能发现的期待。如果真的如期发现了希格斯粒子,一方面说明标准模型非常完美,但另一方面也限制了发现所谓超出标准模型的新物理的可能性,”清华大学物理系教授王青对《中国新闻周刊》表示,“反之,如果没能发现标准模型中的希格斯粒子,那么就存在非标准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。那就意味着目前粒子物理的标准模型是不完备的,有超出它的新东西存在。”

在物理学界,一些科学家对希格斯粒子是否存在表示怀疑。坐在轮椅上通过电子仪器“说话”的物理学家斯蒂芬•霍金就打赌说,“上帝粒子”并不存在。当然,希格斯本人对自己的理论充满信心,他已经准备好了用来庆祝的香槟。

中国科学院高能物理研究所教授刑志忠对“上帝粒子”持不同态度的科学家进行了有意思的归纳:幸灾乐祸的、起哄架秧子的、誓死捍卫希格斯的,如今已经乱作一团。很显然,不相信希格斯的,都是些惟恐天下不乱的新物理信徒;相信可能存在希格斯的,则包括那些对“超对称”情有独钟的理论家。

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