▲粒子對撞的模擬圖
雖然目前還只是一種假設(shè)，但它卻是粒子物理世界的基石，被認(rèn)為是物質(zhì)質(zhì)量的來源，所以號稱“上帝粒子”。然而多年來，它卻像傳說中的獨角獸，各國科學(xué)家千回百轉(zhuǎn)都難覓真容，當(dāng)下，歐洲核子中心正在快馬加鞭地追尋它的蹤影——本報駐外記者對相關(guān)領(lǐng)域一線科學(xué)家的前沿采訪，為你全面披露：
歐洲核子中心（CERN）粒子物理領(lǐng)域研究近年來連續(xù)取得新進展。去年6月，科學(xué)家成功地將反氫原子“抓住”長達約16分鐘的時間,打破了迄今為止反物質(zhì)留存時間的最長紀(jì)錄。去年9月，歐洲核子中心發(fā)布“超光速中微子”的新聞在全球科學(xué)界引發(fā)廣泛爭議，盡管已經(jīng)考慮到可以導(dǎo)致誤差的所有可能,數(shù)百名科學(xué)家一起經(jīng)過數(shù)月的反復(fù)試驗仍然得出“中微子速度挑戰(zhàn)相對論”的相同結(jié)論。
除反物質(zhì)、中微子超光速之外，尋找“上帝粒子”也是歐洲核子中心科學(xué)家當(dāng)前的主要工作之一。最近以來，這里的科學(xué)家在此研究領(lǐng)域也捷報頻頻，引起世界關(guān)注。在去年底宣布大為縮小了“上帝粒子”存在空間之后，該中心又從本月起提高了歐洲大型強子對撞機的對撞能量和次數(shù)，把質(zhì)子束流運行能量從3.5萬億提升至4萬億電子伏特，以對“上帝粒子”的存在空間盡快獲得更清晰的決定性的判斷。
“上帝粒子”一直籠罩著神秘面紗，找到并進而解釋它是幾十年來全球粒子物理學(xué)家的不懈夢想。何為“上帝粒子”、它的藏身處及其重要性鮮為普通民眾所知，目前正在該中心參加實驗值班的北京大學(xué)錢思進教授和來此實習(xí)的臺灣中央大學(xué)葛道寧博士日前接受了本報記者采訪。他們從物質(zhì)世界對稱性、粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型開始詳細講述了“上帝粒子”的相關(guān)概念和當(dāng)前研究進展。
物理之美
宇宙世界廣袤而神秘，人類對物質(zhì)的認(rèn)識遠未窮盡。歐洲核子中心資料顯示，在組成宇宙物質(zhì)和能量的總量中有96%的部分為“暗能量”和“暗物質(zhì)”；與正常物質(zhì)不同，“暗物質(zhì)”憑借普通技術(shù)手段無法觀測，人類對此不甚了解。錢教授表示，即使在剩下4%的現(xiàn)實世界中，人類也仍需不停探索。
物質(zhì)世界不乏對稱性。從諸如簡單的男女、陰陽、正負概念到上述“暗能量”、“暗物質(zhì)”以及“反物質(zhì)”、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子特性等，從中均可感到對稱特性。按照宇宙大爆炸理論，137億年前，一團熾熱的能量發(fā)生大爆炸而形成了現(xiàn)今的宇宙，大爆炸形成了物質(zhì)與反物質(zhì)；愛因斯坦“能量與物質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)換”的理論也詮釋了能量與物質(zhì)的對稱性；另外，按目前發(fā)現(xiàn)，屈指可數(shù)的12種基本粒子組成世界萬物，它們按電荷排列也呈現(xiàn)對稱性。葛博士稱，物理之美在于“理”（原理）上，而“理”之美在于物質(zhì)世界的對稱與簡潔。
從物質(zhì)世界的微觀結(jié)構(gòu)來看，科學(xué)家發(fā)掘物質(zhì)世界已從電子、質(zhì)子、中子發(fā)展到當(dāng)今的基本粒子（即夸克與輕子）。這種類似“剝洋蔥”式的認(rèn)識微觀物質(zhì)世界的過程是否已經(jīng)剝到“洋蔥心”，當(dāng)今科學(xué)界的回答大致是“能量越大、看到的東西越小”，即加大粒子束流對撞能量使得對撞后產(chǎn)生的“碎片”越發(fā)變小，而更小的新粒子往往產(chǎn)生在這些“碎片”（次級粒子）之中，這與“速度越快、撞得越碎”的常理有些類似。
宇宙大爆炸產(chǎn)生了無數(shù)星系，而人類對銀河系之外的宇宙認(rèn)識甚少，當(dāng)今科學(xué)界也尚存一種設(shè)想——宇宙之中是否存在一個反物質(zhì)星系世界？由此，錢教授稱，無論現(xiàn)實世界還是上述設(shè)想，當(dāng)今科學(xué)界無法回避的一個現(xiàn)實問題是物質(zhì)質(zhì)量從何處來？
神秘粒子
物理科學(xué)已經(jīng)證實，自然界物體之間的相互作用力可以歸結(jié)為4種：即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產(chǎn)生放射性衰變的弱作用力。各種相互作用是通過交換相應(yīng)的媒介粒子實現(xiàn)的，如電磁力是通過交換光子、弱作用力是通過交換W和Z中間玻色子、強作用力是通過交換膠子、而引力是通過交換引力子。上個世紀(jì)六、七十年代，人們發(fā)現(xiàn)電磁力和弱作用力可以統(tǒng)一為一種“電弱”作用力，“電弱統(tǒng)一理論”由1983年在歐洲核子中心發(fā)現(xiàn)了W和Z中間玻色子（兩位歐洲核子中心的教授由此獲得1984年諾貝爾物理獎）而得到確立，構(gòu)成以下所述粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論的一部分。
上個世紀(jì)50年代，粒子物理學(xué)經(jīng)歷了一個困惑時期，那時實驗上發(fā)現(xiàn)的像質(zhì)子、中子那樣的粒子越來越多，達數(shù)百種。錢教授稱，當(dāng)時科學(xué)界開始重新對粒子和力及其之間規(guī)律性等進行分析，提出了粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論，這與中學(xué)化學(xué)課常用的“化學(xué)元素周期表”有點類似。隨著實驗的不斷深入，該理論經(jīng)受住了各種實驗的檢驗，其預(yù)言的幾乎所有粒子都在實驗中被發(fā)現(xiàn)，但科學(xué)家仍需解釋為什么不同的粒子具有不同的質(zhì)量，即物質(zhì)質(zhì)量來源的問題。
1964年，英國愛丁堡大學(xué)物理學(xué)家希格斯提出一種理論假設(shè)，后來被人們稱為“希格斯機制”，他認(rèn)為，物質(zhì)質(zhì)量來源于一種粒子（后被學(xué)術(shù)界稱為“希格斯粒子”），1988年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者萊德曼稱之為“指揮著宇宙交響曲”的“上帝粒子”。幾十年以來,“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論預(yù)言的基本粒子,除希格斯粒子之外,均在實驗中得到證實。錢思進教授稱，目前尋找該粒子已成為整個粒子物理學(xué)界最重要的研究課題之一。但這種粒子就像神話中的獨角獸一樣難覓影蹤。在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，總共預(yù)言了62種基本粒子，其中的61種都已被驗證，唯獨希格斯粒子始終游離在物理學(xué)家的視野之外。找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石，如最終證明它不存在，整座大廈就要推倒重建。
追尋之旅
1995年3月，美國費米實驗室宣布發(fā)現(xiàn)了“頂夸克”，標(biāo)志著除“上帝粒子”外,標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的所有基本粒子均已得到實驗驗證。然而，幽靈般的“上帝粒子”卻依然不見蹤影。
2000年，歐洲核子中心大型電子-正電子對撞機在115吉電子伏特附近窺測到希格斯粒子的可疑跡象，但當(dāng)時統(tǒng)計數(shù)據(jù)不足以做出任何確定的結(jié)論。至2011年，美國費米實驗室試圖證實或否定歐洲核子中心的先前實驗結(jié)果，但由于其對撞機的能量不夠高而離目標(biāo)甚遠。
“要想看到更小的物質(zhì)世界，必須借助更高能量的科技手段。”錢思進教授解釋稱，如果“上帝粒子”存在卻一直未被發(fā)現(xiàn)的話，可能是由于兩個原因：該粒子的質(zhì)量非常大，必須建造更大的對撞機以提高對撞能量；該粒子非常稀有（每對撞一萬億次才可能撞出一個“上帝粒子”），必須加大對撞次數(shù)積累數(shù)據(jù)。
始建于上個世紀(jì)90年代的歐洲大型強子對撞機在2008年9月開始試運行，科學(xué)家希望借助單束粒子流能量為7萬億電子伏特的世界最高能級對撞機能夠發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”，但兩周之后因冷卻液泄漏事故而暫時停機，2009年底，對撞機又重新啟動并從2010年3月開始以3.5萬億電子伏特的質(zhì)子束流能量一直運行至今。
去年7月，該中心宣布，Atlas和CMS兩個實驗各自觀察到約30個疑似“上帝粒子”，質(zhì)量均在140多吉電子伏特附近。同時，美國費米實驗室也傳捷報，在142至148吉電子伏特之間也觀察到類似跡象，并將“上帝粒子”的質(zhì)量范圍初步確定在110至155吉電子伏特之間。
2011年12月13日，歐洲核子研究中心發(fā)布新聞稱，大型強子對撞機運行兩年后的實驗產(chǎn)生了“富有吸引力的線索”，“上帝粒子”隱藏在一個較前所知已大為縮小的質(zhì)量范圍內(nèi)；如果該粒子存在的話，那它的質(zhì)量很有可能局限于116至130吉電子伏特之間。
正在參加歐洲核子中心實驗值班的北京大學(xué)教授錢思進表示,“大型強子對撞機通過分析兩年來收集到的大量數(shù)據(jù),已得到某些可能的跡象。但這些跡象還不夠清晰和充分,尚不足以宣告已發(fā)現(xiàn)希格斯粒子或已排除它的存在?！彼麖娬{(diào)，不論最后對“上帝粒子”的存在與否做出何種明確判斷，都是科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)，這種科學(xué)結(jié)論本身就具有重要意義；如果“上帝粒子”不存在，由“標(biāo)準(zhǔn)模型”描述的粒子物理理論將面臨“必須進行重要修正”的挑戰(zhàn)。
今年3月，歐洲核子中心開始提高歐洲大型強子對撞機的對撞能量，使得質(zhì)子束流運行能量從3.5萬億提至4萬億電子伏特，同時還擬成倍大幅增加對撞次數(shù)，試圖對“上帝粒子”的存在空間能盡快獲得更清晰的決定性的判斷。大型強子對撞機上的Atlas和CMS兩個大型通用實驗共同承擔(dān)上述任務(wù)。
談到此項研究的應(yīng)用前景，錢思進教授稱，隨著人類探知更小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，科技成果不斷造福人類，電燈、核能等已被人們所熟知；雖然現(xiàn)在還無法想象出“上帝粒子”能如何為人類“謀福祉”，但上述科研過程也誕生了很多“副產(chǎn)品”，當(dāng)前千家萬戶所使用的“萬維網(wǎng)”就是1989年英國科學(xué)家在歐洲粒子中心的研究成果，“計算網(wǎng)格”也是如此。
錢思進教授介紹說，中國有5個科研院校（中國科學(xué)院高能所、北京大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)和中國科技大學(xué)）參加了Atlas和CMS國際合作組，每個合作組都是由來自30多個國家、100多個單位的3000多位物理學(xué)家組成。中國的科研院校除了負責(zé)建造Atlas和CMS探測器的部分組件以外，還參加了多項物理課題的數(shù)據(jù)分析，其中包括尋找“希格斯粒子”的課題。由于“尋找之旅”異常艱難，往往都是數(shù)百人對該粒子的幾十種非常復(fù)雜的可能衰變模式分別進行分析，在海量的數(shù)據(jù)中進行搜尋。中國科研院校的人力有限，但師生們在盡力參與，為今年有望最后攻克“希格斯粒子”之謎（發(fā)現(xiàn)它的存在，或證明它的不存在）添磚加瓦。（本報駐日內(nèi)瓦記者 宋 斌） 
