7月4日，歐洲核子研究中心宣布找到了一種新亞原子粒子，這種粒子有可能就是“上帝粒子”——希格斯玻色子。由此，萬物質(zhì)量來源之謎或可解開，粒子物理學(xué)或?qū)⒄橛谕昝?。為了這個結(jié)果，歐洲核子研究中心不惜耗費了10年時間，耗資132.5億美元建造了大型強(qiáng)子對撞機(jī)。
“上帝粒子”究竟是虛無，還是真實地存在？從48年前它被預(yù)言的那日起，這個問題就成為粒子物理學(xué)界永恒的爭議焦點，時常有它被發(fā)現(xiàn)的傳聞冒出，又總會引起質(zhì)疑和反駁，就連常常賭輸?shù)氖返俜摇せ艚鹕踔炼荚敢庋荷?00美元再賭一次，賭它無法被找到……
這個逗弄得整個粒子物理學(xué)界都為之“癲狂”的小東西究竟是什么？為何尋找它的旅程如此艱難？探尋它的謎底是否真的已經(jīng)揭開？
“上帝粒子”有質(zhì)量沒體積
很早以前，希臘和印度的哲學(xué)家們認(rèn)為原子不可切分。隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)原子只是不能用化學(xué)手段分解，運用物理學(xué)的方法，原子還可以分為原子核和電子。接著，原子核也被發(fā)現(xiàn)是由質(zhì)子和中子組成的?！拔覀儸F(xiàn)在知道質(zhì)子和中子也并非不可再分，它們由更小的粒子——夸克組成?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T陳國明說，他是歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)中國組物理分析負(fù)責(zé)人。
經(jīng)典力學(xué)和愛因斯坦的廣義相對論出現(xiàn)之后，萬有引力現(xiàn)象從理論上得到很好的闡釋，但自然界尚有電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力這三種微觀層面的現(xiàn)象無法被闡明。當(dāng)人們逐步進(jìn)入質(zhì)子和中子內(nèi)部后，理論物理學(xué)家們開始嘗試著在迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最小粒子的基礎(chǔ)上，建立一種統(tǒng)一的理論來解釋這三種力，這就是粒子物理“標(biāo)準(zhǔn)模型”。
標(biāo)準(zhǔn)模型包含費米子和玻色子兩類粒子——費米子是組成物質(zhì)的粒子，玻色子則是傳遞各種作用力的粒子，將費米子跟玻色子結(jié)合起來，就可以描述微觀物質(zhì)及其之間的力?！百|(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，所以它們都屬于費米子，光子能夠傳遞電磁力，所以它被歸為玻色子?！标悋髡f，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，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種膠子都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，它們統(tǒng)稱為“規(guī)范玻色子”。但這些規(guī)范波色子無法解釋物質(zhì)如何具有質(zhì)量這個問題。為此，英國物理學(xué)家彼得·希格斯引入了希格斯場來解釋物質(zhì)的質(zhì)量，彼得·希格斯假設(shè)存在著一種不規(guī)范的玻色子——希格斯玻色子，它是物質(zhì)的質(zhì)量之源，在微觀世界里，它就像海洋里的水分子，電子和夸克等粒子就像游弋在海洋里的魚，它們受希格斯玻色子的作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量?！跋８袼共Ｉ訐碛匈|(zhì)量，但不占空間，假設(shè)要將希格斯玻色子裝進(jìn)一個盒子，那么可以不停地往盒子里塞希格斯玻色子，盒子永遠(yuǎn)不會被塞滿，但卻會越來越重?！标悋髡f，彼得·希格斯的方法彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的不足，也留下了多年來不見蹤影的希格斯玻色子，也就是所謂的“上帝粒子”。
用碰撞的方法尋找“上帝粒子”
1919年，盧瑟福用α粒子去轟擊氮、氟、鉀等元素的原子核，結(jié)果都發(fā)現(xiàn)有一種微粒產(chǎn)生，這就是質(zhì)子。1932年，查德威克用放射性元素鈹發(fā)出來的射線射擊氮、氬元素的原子核，通過驗證氮、氬元素的原子核被推動的速度，查德威克判斷出放射性元素鈹發(fā)出來的射線不是γ射線，而是一種質(zhì)量與質(zhì)子幾乎一樣大，但卻不帶電荷的中性粒子，查德威克稱其為中子。
從發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子開始，將兩種微觀粒子相撞，或者用微觀粒子去撞擊其他的物質(zhì)就成為發(fā)現(xiàn)新粒子的重要方法?！坝门鲎驳姆椒▽⑽⒂^粒子打碎，就像將兩個西瓜用力撞碎，這樣我們就能看到里面有些什么?！标悋髡f，只不過微觀粒子內(nèi)部極為復(fù)雜，撞擊之后所產(chǎn)生的“碎片”——更小的粒子，也是各式各樣。20世紀(jì)30年代中期，隨著粒子加速器的發(fā)明，科學(xué)家們能夠把中子打碎，也能把質(zhì)子打碎，再進(jìn)一步觀察碰撞到底能產(chǎn)生什么。
雖然此次發(fā)現(xiàn)新亞原子粒子的歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)，被深埋在100米的地下，周長有27公里，探測器有三四層樓房那么高，完全可以稱得上是個“巨無霸”，但它尋找新粒子的基本原理，與當(dāng)年盧瑟福和查德威克尋找質(zhì)子和中子的基本原理并無太大區(qū)別——碰撞?！皩ふ蚁８袼共Ｉ拥姆椒?，是在強(qiáng)子對撞機(jī)內(nèi)部將兩個經(jīng)過加速的質(zhì)子相撞。然后觀察它們撞碎后的‘碎片’?！标悋髡f，只要質(zhì)子相撞時的速度足夠大，在這些碎片中就有可能發(fā)現(xiàn)一些以前從未出現(xiàn)過的微觀粒子。
“上帝粒子”有待驗證，不是探索終點
解釋萬有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力的物理理論不僅只有標(biāo)準(zhǔn)理論，史蒂芬·霍金一直支持的超弦理論就是另外一種。盡管史蒂芬·霍金從來不看好標(biāo)準(zhǔn)模型理論，甚至愿意押上100美元來賭希格斯玻色子不存在，但是此次歐洲核子中心的發(fā)現(xiàn)，卻讓他備受打擊。“超弦理論認(rèn)為當(dāng)兩個質(zhì)子相撞后，會產(chǎn)生一個微型黑洞，由于質(zhì)子質(zhì)量非常小，這個微型黑洞會揮發(fā)，釋放出均勻分布的強(qiáng)子，但這次的實驗并沒有觀察到這個現(xiàn)象。”陳國明說。
歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)新亞原子粒子的結(jié)果發(fā)布后，有媒體報道說史蒂芬·霍金已經(jīng)認(rèn)輸，彼得·希格斯本人也打算開香檳慶祝。這是否意味著這次發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子是否已經(jīng)確證是希格斯玻色子呢？
“99.99994%的置信度并非意味著是希格斯玻色子的可能性，而是指這是一種新發(fā)現(xiàn)粒子的可能性?！标悋髡f，歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的CMS和ATLAS實驗都報告稱發(fā)現(xiàn)了新粒子，盡管大型強(qiáng)子對撞機(jī)所發(fā)現(xiàn)的這個新粒子的一些特性與尋找了幾十年的希格斯玻色子一致，但所發(fā)現(xiàn)的事例數(shù)還太少，并不能排除是其他粒子的可能?！耙罱K證實這個新粒子是不是‘上帝粒子’，還需要驗證它的自旋宇稱，衰變道，衰變分支比以及與其他粒子的相互作用等特性?！标悋髡f，這些特性都得到驗證后，如果仍然與彼得·希格斯的預(yù)言相符，才能說找到了“上帝粒子”?！斑@可能還要花很長的時間，甚至需要再建造一個正負(fù)電子對撞機(jī)來對這一粒子的性質(zhì)作出判斷?！标悋髡f，這新發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子對人類認(rèn)識宇宙具有重要意義，但即使最終證實它確是希格斯玻色子，那也不表示人類已經(jīng)解開了粒子物理的所有謎題，而是意味著新征程的開始?！叭绻炞C了希格斯玻色子的存在，接下來，我們所面臨的難題是弄清楚暗物質(zhì)和暗能量的結(jié)構(gòu)、以及尋找反宇宙?！标悋髡f。
