上帝粒子駕臨，霍金輸了

2012年7月4日，歐洲核子研究中心召開(kāi)發(fā)布會(huì)，公布該研究中心在近5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)顯著度上，觀察到一種質(zhì)量為125G電子伏特的新亞原子粒子。在統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，在不同的搜索渠道中得到的結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)模型中被稱(chēng)為“上帝粒子”的希格斯玻色子的預(yù)期一致。

這一發(fā)現(xiàn)可能意味著斯蒂芬·霍金要輸了！3年前，他押下100美元的賭注，打賭人類(lèi)永遠(yuǎn)也不可能發(fā)現(xiàn)希格斯粒子——這種有著“上帝粒子”之稱(chēng)的神秘粒子，被認(rèn)為是宇宙中所有基本粒子的質(zhì)量之源。

英國(guó)科技委員會(huì)主管約翰·沃默斯利在倫敦某事件中這樣說(shuō)道:“我很確定我們發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，它與希格斯玻色子理論非常符合。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授劉衍文說(shuō)：“如果最終確認(rèn)為‘上帝粒子’，那么這將是人類(lèi)探索自然過(guò)程中的一大步，使我們能站在一個(gè)新的高度，思考我們身處的這個(gè)宇宙。從科學(xué)意義上講，發(fā)現(xiàn)‘上帝粒子’比人類(lèi)登上月球更重要。”

盡管科學(xué)家措辭謹(jǐn)慎，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然令人激動(dòng)不已。

自古以來(lái)，尋找出宇宙的終極規(guī)律始終是人們的夢(mèng)想。近代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宏觀尺度上的宇宙和微觀尺度上的基本粒子存在某些緊密的聯(lián)系，因此，微觀尺度上粒子的基本模型也就成為了解釋宇宙奧秘的鑰匙。為此科學(xué)家們一直不斷努力探索，直到上世紀(jì)60年代，六個(gè)科學(xué)家提出了標(biāo)準(zhǔn)模型理論。

自然界中物體之間的相互作用力可以劃分為4種，即引力（重力）、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。引力和電磁力是我們?nèi)粘Ｉ羁梢?jiàn)的，如蘋(píng)果掉到地上是引力作用，我們用的電是電磁力作用。但是，我們?nèi)粘Ｉ钪胁荒芨袘?yīng)到強(qiáng)力和弱力。它們是微觀世界，即在基本粒子水平觀測(cè)到的力。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論解決了重力問(wèn)題之后，標(biāo)準(zhǔn)理論則統(tǒng)合了自然界四種相互作用中的電弱相互作用和強(qiáng)相互作用的統(tǒng)一描述，以用來(lái)解釋宇宙中最基本的組成粒子以及其間的交互作用力，來(lái)證明我們的物質(zhì)世界是宇宙大爆炸產(chǎn)生的，而不是上帝創(chuàng)造的。

標(biāo)準(zhǔn)模型提出，宇宙的基本粒子是由夸克和輕子組成的，是組成物質(zhì)最基本的粒子。夸克是分?jǐn)?shù)電荷，自旋為1/2；輕子就是不參與強(qiáng)相互作用的費(fèi)米子，但參與弱相互作用與電磁作用，自旋為1/2。而傳遞物質(zhì)之間相互作用的粒子稱(chēng)為媒介子，即玻色子。也就是說(shuō)費(fèi)米子是組成物質(zhì)的基本粒子而玻色子負(fù)責(zé)傳遞各種作用力。

根據(jù)四種不同的相互作用力，將玻色子分為四種：介子或膠子（強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為1，總共有8種）；光子（電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有1種）；W及Z玻色子（弱相互作用的媒介粒子，自旋為1，有3種）；希格斯粒子（引導(dǎo)規(guī)范群的自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，是慣性質(zhì)量的源頭）。

在20世紀(jì)60年代標(biāo)準(zhǔn)模型理論的開(kāi)始探索階段，上面介紹的玻色子也被稱(chēng)為“規(guī)范玻色子”，必須滿(mǎn)足規(guī)范理論，即對(duì)稱(chēng)性禁止規(guī)范玻色子帶有任何質(zhì)量。但研究過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)中所觀測(cè)的與規(guī)范不相符合，所遇到的主要障礙就是質(zhì)量問(wèn)題，如果不能解決基本粒子質(zhì)量從哪兒來(lái)的問(wèn)題，將使得整個(gè)研究失去基礎(chǔ)。

直到1964年，英國(guó)物理學(xué)彼得·希格斯在一篇論文中提出一種粒子場(chǎng)的存在，預(yù)言一種能吸引其他粒子，進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在。他認(rèn)為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)，基本粒子本身無(wú)所謂質(zhì)量，質(zhì)量是基本粒子與粒子場(chǎng)相互作用的結(jié)果，進(jìn)而構(gòu)筑成大千世界。剛開(kāi)始這個(gè)理論沒(méi)有引起人們的重視，他的第二篇論文甚至被歐洲《物理快報(bào)》雜志退回。

1967年，場(chǎng)論的重量級(jí)人物——美國(guó)物理學(xué)家溫伯格，用希格斯的理論成功解決了標(biāo)準(zhǔn)理論研究過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題，并且給現(xiàn)實(shí)世界留下了一個(gè)自旋為零的希格斯玻色子（即希格斯在論文中提出的玻色子）。從此，這種粒子才備受關(guān)注，由于它是物質(zhì)質(zhì)量之源，也稱(chēng)之為“上帝粒子”

1995年3月，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)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)言的宇宙大爆炸可能產(chǎn)生的62種基本粒子，已有61種粒子已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)存在。然而，幽靈般的“上帝粒子”卻依然不見(jiàn)蹤影。

看上去標(biāo)準(zhǔn)模型馬上就要獲得決定性的勝利，對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了尾聲，似乎人類(lèi)也馬上就要聽(tīng)到這一跌宕起伏的，充滿(mǎn)高潮的，華彩探索樂(lè)章的終曲，但是仍然有一個(gè)粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個(gè)幽靈，它就是“上帝粒子”，而且就是這個(gè)粒子可能會(huì)擊垮整座大廈。

從此，科學(xué)家們踏上尋找“上帝粒子”的道路，在大爆炸發(fā)生137億年之后，為了捕獲希格斯粒子，人類(lèi)齊集了最尖端的科學(xué)技術(shù)，嘗試還原當(dāng)時(shí)爆炸的一瞬間。

位于瑞士的歐洲核子研究中心（CERN）的工作人員通過(guò)世界上最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP攫取了115GeV的希格斯粒子，但是他們當(dāng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足以做出任何確定的推論。

2003年，物理學(xué)家試圖通過(guò)位于美國(guó)芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，讓質(zhì)子與反質(zhì)子相互對(duì)撞分析出希格斯粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，試圖證實(shí)或否定CERN先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是由于先前計(jì)劃從舊實(shí)驗(yàn)中回收反質(zhì)子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)同樣也到了更換的階段，需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)修復(fù)，因此費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究遇到了一定的挫折。

2008年9月10號(hào)，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)始調(diào)試運(yùn)行，對(duì)撞機(jī)通過(guò)質(zhì)子束對(duì)撞產(chǎn)生巨大能量，模擬宇宙大爆炸的情形，形成上帝粒子，這種粒子瞬間即逝，衰變成其他可以被捕獲和進(jìn)行分析的粒子，或者變成閃光。這架對(duì)撞機(jī)橫跨法國(guó)和瑞士，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)占據(jù)著一條長(zhǎng)27公里的圓形隧道，耗資總計(jì)約100億美元，這個(gè)空曠的地下世界相當(dāng)于4個(gè)梵蒂岡，如果你要走完全程，想花上整整4個(gè)小時(shí)。

對(duì)撞機(jī)運(yùn)行后，科學(xué)家希望借助單束粒子流能量為7萬(wàn)億電子伏特，世界最高能級(jí)對(duì)撞機(jī)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(shí)停機(jī)。

到2009年底，對(duì)撞機(jī)才重新啟動(dòng)，并從2010年3月開(kāi)始，以3.5萬(wàn)億電子伏特的質(zhì)子束流能量一直運(yùn)行至今。自2010年3月正式啟動(dòng)以來(lái)，這條隧道每秒都迎來(lái)千萬(wàn)次爆炸。在一條環(huán)形加速管道中，方向相反，各具有3.5TeV（兆兆電子伏特）能量的質(zhì)子團(tuán)在4個(gè)對(duì)撞點(diǎn)不斷碰撞。每一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)上都架起了上萬(wàn)噸重的粒子探測(cè)器，它們猶如平躺著的碩大無(wú)比的啤酒桶，將對(duì)撞點(diǎn)嚴(yán)實(shí)地包裹起來(lái)，并承載不同的實(shí)驗(yàn)功能。其中，名為CMS和ATLAS的兩個(gè)探測(cè)器的主要使命就是探索可能出現(xiàn)的希格斯粒子的信號(hào)。

爆炸的瞬間，各種參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)格系統(tǒng)，先傳到位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的零級(jí)計(jì)算機(jī)，隨即送達(dá)分布在5個(gè)地區(qū)的一級(jí)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)和上百個(gè)二級(jí)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)，最終抵達(dá)三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)羅了全世界幾十萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)。在電腦屏幕前守候的，是來(lái)自全球80多個(gè)國(guó)家的科學(xué)家，其中，參與CMS和ATLAS研究組的學(xué)者就各有3000多名。如此龐大的陣容，只是為了尋找一個(gè)小得幾乎不占任何空間的“上帝粒子”。

通過(guò)不斷的努力，2011年7月，歐洲核子研究中心宣布，ATLAS和CMS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)各自觀察到約30個(gè)疑似“上帝粒子”，質(zhì)量均在140多吉電子伏特的物質(zhì)。同時(shí)，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室也傳出捷報(bào)，在142至148吉電子伏特之間也觀察到類(lèi)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(chēng)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)運(yùn)行兩年后的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了“富有吸引力的線(xiàn)索”，“上帝粒子”隱藏在一個(gè)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(huà)，那它的質(zhì)量很有可能局限于11至130吉電子伏特之間。這一消息的發(fā)布，意味著我們離發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”又近了一步。

今年3月，歐洲核子中心開(kāi)始提高歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞能量，使得質(zhì)子束流運(yùn)行能量從3.5萬(wàn)億提至4萬(wàn)億電子伏特，同時(shí)還擬成倍大幅增加對(duì)撞次數(shù)，試圖對(duì)“上帝粒子”的存在空間能盡快獲得更清晰的決定性判斷。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的ATLAS和CMS兩個(gè)大型通用實(shí)驗(yàn)共同承擔(dān)上述任務(wù)。最終，2012年7月4日，歐洲物理學(xué)家公布了一種全新的粒子存在的證據(jù)，且?guī)缀跖c“上帝粒子”性質(zhì)一樣。

科學(xué)家們下一步將要做的是，進(jìn)一步驗(yàn)證這種新粒子是否就是“上帝粒子”。它們已經(jīng)緊鑼密鼓地開(kāi)始干起來(lái)。據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站2012年8月2日（北京時(shí)間）報(bào)道，ATLAS實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行了更為完整的分析，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上將確定性水平提高到近6西格瑪，為新粒子就是希格斯玻色子提供了更強(qiáng)有力的支撐。

實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有直接“看見(jiàn)”希格斯玻色子——這種粒子一旦在探測(cè)器內(nèi)生成，便會(huì)迅速衰減，被觀測(cè)到的只是由它衰變而成的玻色子。ATLAS和CMS必須通過(guò)5種衰變通道，即通過(guò)尋找5種不同的粒子來(lái)發(fā)現(xiàn)它。標(biāo)準(zhǔn)模型為一個(gè)有一定質(zhì)量的希格斯玻色子，預(yù)測(cè)了對(duì)應(yīng)5條不同通道的衰變率。

CMS探測(cè)器實(shí)驗(yàn)展示了全部5種衰變率，即新粒子如何快速衰變成為底夸克對(duì)、頂夸克對(duì)、光子對(duì)、W玻色子對(duì)和Z玻色子對(duì)。ATLAS實(shí)驗(yàn)的分析沒(méi)有那么完整，只提供了希格斯玻色子衰變成為光子對(duì)和Z玻色子對(duì)這兩個(gè)衰變通道的證據(jù)。但這足以讓兩個(gè)實(shí)驗(yàn)各自以5西格瑪?shù)拇_定性水平，宣布它們的發(fā)現(xiàn)結(jié)果，這意味著信號(hào)來(lái)自希格斯玻色子，而非一種全新粒子的偏差只有千萬(wàn)分之五。

經(jīng)過(guò)努力，ATLAS實(shí)驗(yàn)現(xiàn)已呈上了更為完整的分析結(jié)果。7月31日，實(shí)驗(yàn)組在物理學(xué)電子預(yù)印本文庫(kù)arXiv網(wǎng)站發(fā)表了他們的論文，補(bǔ)充有關(guān)W玻色子通道衰變率的內(nèi)容，從而將發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子信號(hào)的確定性水平提高到了接近6西格瑪，也就意味著偏差降低到十億分之二。

對(duì)于探測(cè)希格斯玻色子來(lái)說(shuō)，W玻色子通道是驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的最重要指標(biāo)之一。除了提高初步結(jié)果的可信度，新的分析結(jié)果也將有助于物理學(xué)家確定這究竟是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯玻色子，還是一種完全陌生的新粒子。ATLAS實(shí)驗(yàn)下一步將分析剩下的兩條通道，以檢驗(yàn)其是否符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)。