科学家寻找上帝粒子之旅 何时揭开神秘面纱?

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科学家寻找上帝粒子之旅 何时揭开神秘面纱?

▲粒子对撞的模拟图

虽然目前还只是一种假设,但它却是粒子物理世界的基石,被认为是物质质量的来源,所以号称“上帝粒子”。然而多年来,它却像传说中的独角兽,各国科学家千回百转都难觅真容,当下,欧洲核子中心正在快马加鞭地追寻它的踪影——本报驻外记者对相关领域一线科学家的前沿采访,为你全面披露:

欧洲核子中心(CERN)粒子物理领域研究近年来连续取得新进展。去年6月,科学家成功地将反氢原子“抓住”长达约16分钟的时间,打破了迄今为止反物质留存时间的最长纪录。去年9月,欧洲核子中心发布“超光速中微子”的新闻在全球科学界引发广泛争议,尽管已经考虑到可以导致误差的所有可能,数百名科学家一起经过数月的反复试验仍然得出“中微子速度挑战相对论”的相同结论。

除反物质、中微子超光速之外,寻找“上帝粒子”也是欧洲核子中心科学家当前的主要工作之一。最近以来,这里的科学家在此研究领域也捷报频频,引起世界关注。在去年底宣布大为缩小了“上帝粒子”存在空间之后,该中心又从本月起提高了欧洲大型强子对撞机的对撞能量和次数,把质子束流运行能量从3.5万亿提升至4万亿电子伏特,以对“上帝粒子”的存在空间尽快获得更清晰的决定性的判断。

“上帝粒子”一直笼罩着神秘面纱,找到并进而解释它是几十年来全球粒子物理学家的不懈梦想。何为“上帝粒子”、它的藏身处及其重要性鲜为普通民众所知,目前正在该中心参加实验值班的北京大学钱思进教授和来此实习的台湾中央大学葛道宁博士日前接受了本报记者采访。他们从物质世界对称性、粒子物理学的标准模型开始详细讲述了“上帝粒子”的相关概念和当前研究进展。

物理之美

宇宙世界广袤而神秘,人类对物质的认识远未穷尽。欧洲核子中心资料显示,在组成宇宙物质和能量的总量中有96%的部分为“暗能量”和“暗物质”;与正常物质不同,“暗物质”凭借普通技术手段无法观测,人类对此不甚了解。钱教授表示,即使在剩下4%的现实世界中,人类也仍需不停探索。

物质世界不乏对称性。从诸如简单的男女、阴阳、正负概念到上述“暗能量”、“暗物质”以及“反物质”、粒子物理标准模型中的粒子特性等,从中均可感到对称特性。按照宇宙大爆炸理论,137亿年前,一团炽热的能量发生大爆炸而形成了现今的宇宙,大爆炸形成了物质与反物质;爱因斯坦“能量与物质可以相互转换”的理论也诠释了能量与物质的对称性;另外,按目前发现,屈指可数的12种基本粒子组成世界万物,它们按电荷排列也呈现对称性。葛博士称,物理之美在于“理”(原理)上,而“理”之美在于物质世界的对称与简洁。

从物质世界的微观结构来看,科学家发掘物质世界已从电子、质子、中子发展到当今的基本粒子(即夸克与轻子)。这种类似“剥洋葱”式的认识微观物质世界的过程是否已经剥到“洋葱心”,当今科学界的回答大致是“能量越大、看到的东西越小”,即加大粒子束流对撞能量使得对撞后产生的“碎片”越发变小,而更小的新粒子往往产生在这些“碎片”(次级粒子)之中,这与“速度越快、撞得越碎”的常理有些类似。

宇宙大爆炸产生了无数星系,而人类对银河系之外的宇宙认识甚少,当今科学界也尚存一种设想——宇宙之中是否存在一个反物质星系世界?由此,钱教授称,无论现实世界还是上述设想,当今科学界无法回避的一个现实问题是物质质量从何处来?

神秘粒子

物理科学已经证实,自然界物体之间的相互作用力可以归结为4种:即引力、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射性衰变的弱作用力。各种相互作用是通过交换相应的媒介粒子实现的,如电磁力是通过交换光子、弱作用力是通过交换W和Z中间玻色子、强作用力是通过交换胶子、而引力是通过交换引力子。上个世纪六、七十年代,人们发现电磁力和弱作用力可以统一为一种“电弱”作用力,“电弱统一理论”由1983年在欧洲核子中心发现了W和Z中间玻色子(两位欧洲核子中心的教授由此获得1984年诺贝尔物理奖)而得到确立,构成以下所述粒子物理学的“标准模型”理论的一部分。

上个世纪50年代,粒子物理学经历了一个困惑时期,那时实验上发现的像质子、中子那样的粒子越来越多,达数百种。钱教授称,当时科学界开始重新对粒子和力及其之间规律性等进行分析,提出了粒子物理学的“标准模型”理论,这与中学化学课常用的“化学元素周期表”有点类似。随着实验的不断深入,该理论经受住了各种实验的检验,其预言的几乎所有粒子都在实验中被发现,但科学家仍需解释为什么不同的粒子具有不同的质量,即物质质量来源的问题。

1964年,英国爱丁堡大学物理学家希格斯提出一种理论假设,后来被人们称为“希格斯机制”,他认为,物质质量来源于一种粒子(后被学术界称为“希格斯粒子”),1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼称之为“指挥着宇宙交响曲”的“上帝粒子”。几十年以来,“标准模型”理论预言的基本粒子,除希格斯粒子之外,均在实验中得到证实。钱思进教授称,目前寻找该粒子已成为整个粒子物理学界最重要的研究课题之一。但这种粒子就像神话中的独角兽一样难觅影踪。在粒子物理学的标准模型中,总共预言了62种基本粒子,其中的61种都已被验证,唯独希格斯粒子始终游离在物理学家的视野之外。找到这种粒子,就找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石,如最终证明它不存在,整座大厦就要推倒重建。

追寻之旅

1995年3月,美国费米实验室宣布发现了“顶夸克”,标志着除“上帝粒子”外,标准模型中预言的所有基本粒子均已得到实验验证。然而,幽灵般的“上帝粒子”却依然不见踪影。

2000年,欧洲核子中心大型电子-正电子对撞机在115吉电子伏特附近窥测到希格斯粒子的可疑迹象,但当时统计数据不足以做出任何确定的结论。至2011年,美国费米实验室试图证实或否定欧洲核子中心的先前实验结果,但由于其对撞机的能量不够高而离目标甚远。

“要想看到更小的物质世界,必须借助更高能量的科技手段。”钱思进教授解释称,如果“上帝粒子”存在却一直未被发现的话,可能是由于两个原因:该粒子的质量非常大,必须建造更大的对撞机以提高对撞能量;该粒子非常稀有(每对撞一万亿次才可能撞出一个“上帝粒子”),必须加大对撞次数积累数据。

始建于上个世纪90年代的欧洲大型强子对撞机在2008年9月开始试运行,科学家希望借助单束粒子流能量为7万亿电子伏特的世界最高能级对撞机能够发现“上帝粒子”,但两周之后因冷却液泄漏事故而暂时停机,2009年底,对撞机又重新启动并从2010年3月开始以3.5万亿电子伏特的质子束流能量一直运行至今。

去年7月,该中心宣布,Atlas和CMS两个实验各自观察到约30个疑似“上帝粒子”,质量均在140多吉电子伏特附近。同时,美国费米实验室也传捷报,在142至148吉电子伏特之间也观察到类似迹象,并将“上帝粒子”的质量范围初步确定在110至155吉电子伏特之间。

2011年12月13日,欧洲核子研究中心发布新闻称,大型强子对撞机运行两年后的实验产生了“富有吸引力的线索”,“上帝粒子”隐藏在一个较前所知已大为缩小的质量范围内;如果该粒子存在的话,那它的质量很有可能局限于116至130吉电子伏特之间。

正在参加欧洲核子中心实验值班的北京大学教授钱思进表示,“大型强子对撞机通过分析两年来收集到的大量数据,已得到某些可能的迹象。但这些迹象还不够清晰和充分,尚不足以宣告已发现希格斯粒子或已排除它的存在。”他强调,不论最后对“上帝粒子”的存在与否做出何种明确判断,都是科学上的重大发现,这种科学结论本身就具有重要意义;如果“上帝粒子”不存在,由“标准模型”描述的粒子物理理论将面临“必须进行重要修正”的挑战。

今年3月,欧洲核子中心开始提高欧洲大型强子对撞机的对撞能量,使得质子束流运行能量从3.5万亿提至4万亿电子伏特,同时还拟成倍大幅增加对撞次数,试图对“上帝粒子”的存在空间能尽快获得更清晰的决定性的判断。大型强子对撞机上的Atlas和CMS两个大型通用实验共同承担上述任务。

谈到此项研究的应用前景,钱思进教授称,随着人类探知更小的物质结构,科技成果不断造福人类,电灯、核能等已被人们所熟知;虽然现在还无法想象出“上帝粒子”能如何为人类“谋福祉”,但上述科研过程也诞生了很多“副产品”,当前千家万户所使用的“万维网”就是1989年英国科学家在欧洲粒子中心的研究成果,“计算网格”也是如此。

钱思进教授介绍说,中国有5个科研院校(中国科学院高能所、北京大学、南京大学、山东大学和中国科技大学)参加了Atlas和CMS国际合作组,每个合作组都是由来自30多个国家、100多个单位的3000多位物理学家组成。中国的科研院校除了负责建造Atlas和CMS探测器的部分组件以外,还参加了多项物理课题的数据分析,其中包括寻找“希格斯粒子”的课题。由于“寻找之旅”异常艰难,往往都是数百人对该粒子的几十种非常复杂的可能衰变模式分别进行分析,在海量的数据中进行搜寻。中国科研院校的人力有限,但师生们在尽力参与,为今年有望最后攻克“希格斯粒子”之谜(发现它的存在,或证明它的不存在)添砖加瓦。(本报驻日内瓦记者 宋 斌)

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