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科學(xué)家找到 “上帝粒子”了嗎?

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。

 

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