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    光明日报 2012年07月12日 星期四

    科学家找到 “上帝粒子”了吗?

    作者: 《光明日报》( 2012年07月12日 09版)
    图①深埋在地下100米处的欧洲大型强子对撞机。
    图②欧洲核子中心正在安装大型强子对撞机的探测器,它的作用是在质子两两相撞后,捕获所产生的“碎片”,科学家需要从这些“碎片”中寻找“上帝粒子”。(图为正在合拢的两片探测器)
    图③探测器的示意图。安装完成的探测器外形像啤酒桶,沿着“啤酒桶”的中轴线安装了一根胶皮管,胶皮管内必须保持真空,质子经过加速后,就在这根胶皮管内发生碰撞。

    (图片均为资料照片)

        7月4日,欧洲核子研究中心宣布找到了一种新亚原子粒子,这种粒子有可能就是“上帝粒子”——希格斯玻色子。由此,万物质量来源之谜或可解开,粒子物理学或将臻于完美。为了这个结果,欧洲核子研究中心不惜耗费了10年时间,耗资132.5亿美元建造了大型强子对撞机。

     

        “上帝粒子”究竟是虚无,还是真实地存在?从48年前它被预言的那日起,这个问题就成为粒子物理学界永恒的争议焦点,时常有它被发现的传闻冒出,又总会引起质疑和反驳,就连常常赌输的史蒂芬·霍金甚至都愿意押上100美元再赌一次,赌它无法被找到……

     

        这个逗弄得整个粒子物理学界都为之“癫狂”的小东西究竟是什么?为何寻找它的旅程如此艰难?探寻它的谜底是否真的已经揭开?

     

        “上帝粒子”有质量没体积

     

        很早以前,希腊和印度的哲学家们认为原子不可切分。随着科学的进步,人们发现原子只是不能用化学手段分解,运用物理学的方法,原子还可以分为原子核和电子。接着,原子核也被发现是由质子和中子组成的。“我们现在知道质子和中子也并非不可再分,它们由更小的粒子——夸克组成。”中科院高能物理所研究员陈国明说,他是欧洲大型强子对撞机中国组物理分析负责人。

     

        经典力学和爱因斯坦的广义相对论出现之后,万有引力现象从理论上得到很好的阐释,但自然界尚有电磁力、强相互作用力和弱相互作用力这三种微观层面的现象无法被阐明。当人们逐步进入质子和中子内部后,理论物理学家们开始尝试着在迄今为止所发现的最小粒子的基础上,建立一种统一的理论来解释这三种力,这就是粒子物理“标准模型”。

     

        标准模型包含费米子和玻色子两类粒子——费米子是组成物质的粒子,玻色子则是传递各种作用力的粒子,将费米子跟玻色子结合起来,就可以描述微观物质及其之间的力。“质子和中子构成原子核,所以它们都属于费米子,光子能够传递电磁力,所以它被归为玻色子。”陈国明说,在标准模型中,传递电磁力的光子、传递弱核力的W玻色子及Z玻色子、传递强核力的8种胶子都已经被发现,它们统称为“规范玻色子”。但这些规范波色子无法解释物质如何具有质量这个问题。为此,英国物理学家彼得·希格斯引入了希格斯场来解释物质的质量,彼得·希格斯假设存在着一种不规范的玻色子——希格斯玻色子,它是物质的质量之源,在微观世界里,它就像海洋里的水分子,电子和夸克等粒子就像游弋在海洋里的鱼,它们受希格斯玻色子的作用而产生惯性,最终才有了质量。“希格斯玻色子拥有质量,但不占空间,假设要将希格斯玻色子装进一个盒子,那么可以不停地往盒子里塞希格斯玻色子,盒子永远不会被塞满,但却会越来越重。”陈国明说,彼得·希格斯的方法弥补了标准模型的不足,也留下了多年来不见踪影的希格斯玻色子,也就是所谓的“上帝粒子”。

     

        用碰撞的方法寻找“上帝粒子”

     

        1919年,卢瑟福用α粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核,结果都发现有一种微粒产生,这就是质子。1932年,查德威克用放射性元素铍发出来的射线射击氮、氩元素的原子核,通过验证氮、氩元素的原子核被推动的速度,查德威克判断出放射性元素铍发出来的射线不是γ射线,而是一种质量与质子几乎一样大,但却不带电荷的中性粒子,查德威克称其为中子。

     

        从发现质子和中子开始,将两种微观粒子相撞,或者用微观粒子去撞击其他的物质就成为发现新粒子的重要方法。“用碰撞的方法将微观粒子打碎,就像将两个西瓜用力撞碎,这样我们就能看到里面有些什么。”陈国明说,只不过微观粒子内部极为复杂,撞击之后所产生的“碎片”——更小的粒子,也是各式各样。20世纪30年代中期,随着粒子加速器的发明,科学家们能够把中子打碎,也能把质子打碎,再进一步观察碰撞到底能产生什么。

     

        虽然此次发现新亚原子粒子的欧洲大型强子对撞机,被深埋在100米的地下,周长有27公里,探测器有三四层楼房那么高,完全可以称得上是个“巨无霸”,但它寻找新粒子的基本原理,与当年卢瑟福和查德威克寻找质子和中子的基本原理并无太大区别——碰撞。“寻找希格斯玻色子的方法,是在强子对撞机内部将两个经过加速的质子相撞。然后观察它们撞碎后的‘碎片’。”陈国明说,只要质子相撞时的速度足够大,在这些碎片中就有可能发现一些以前从未出现过的微观粒子。

     

        “上帝粒子”有待验证,不是探索终点

     

        解释万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力的物理理论不仅只有标准理论,史蒂芬·霍金一直支持的超弦理论就是另外一种。尽管史蒂芬·霍金从来不看好标准模型理论,甚至愿意押上100美元来赌希格斯玻色子不存在,但是此次欧洲核子中心的发现,却让他备受打击。“超弦理论认为当两个质子相撞后,会产生一个微型黑洞,由于质子质量非常小,这个微型黑洞会挥发,释放出均匀分布的强子,但这次的实验并没有观察到这个现象。”陈国明说。

     

        欧洲核子研究中心发现新亚原子粒子的结果发布后,有媒体报道说史蒂芬·霍金已经认输,彼得·希格斯本人也打算开香槟庆祝。这是否意味着这次发现的亚原子粒子是否已经确证是希格斯玻色子呢?

     

        “99.99994%的置信度并非意味着是希格斯玻色子的可能性,而是指这是一种新发现粒子的可能性。”陈国明说,欧洲核子中心大型强子对撞机上的CMS和ATLAS实验都报告称发现了新粒子,尽管大型强子对撞机所发现的这个新粒子的一些特性与寻找了几十年的希格斯玻色子一致,但所发现的事例数还太少,并不能排除是其他粒子的可能。“要最终证实这个新粒子是不是‘上帝粒子’,还需要验证它的自旋宇称,衰变道,衰变分支比以及与其他粒子的相互作用等特性。”陈国明说,这些特性都得到验证后,如果仍然与彼得·希格斯的预言相符,才能说找到了“上帝粒子”。“这可能还要花很长的时间,甚至需要再建造一个正负电子对撞机来对这一粒子的性质作出判断。”陈国明说,这新发现的亚原子粒子对人类认识宇宙具有重要意义,但即使最终证实它确是希格斯玻色子,那也不表示人类已经解开了粒子物理的所有谜题,而是意味着新征程的开始。“如果验证了希格斯玻色子的存在,接下来,我们所面临的难题是弄清楚暗物质和暗能量的结构、以及寻找反宇宙。”陈国明说。

     

        本报记者 詹 媛

     

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