2012“上帝粒子”和我們相會

■編者按■

本刊2012年第2期，刊發了作者奇云撰寫的《2012：我們和“上帝粒子”有個約會》一文。文中預見，有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子，將在2012年被發現。如今，上帝粒子如期而至。且看，本刊特約作者奇云發來的最新報道。

歐洲科學家宣布發現新粒子

2012年7月4日，第36屆國際高能物理大會在澳大利亞墨爾本召開，萬眾矚目的“希格斯玻色子”（Higgs boson）再次成為世界的焦點。這一天，瑞士日內瓦的歐洲核子中心（CERN）向全世界莊嚴宣布：在大型強子對撞機對撞實驗中，發現了一種新的亞原子粒子，這種粒子很可能就是物理學家們苦苦尋找了近半個世紀的希格斯玻色子。

盡管歐洲核子中心的科研人員在公布這一消息時措辭謹慎，表示需進一步深入研究才能確認這一新發現的粒子是否就是希格斯玻色子，但相關消息很快在科學界引起轟動，全世界物理學界更是一片沸騰。

發布會現場，英國物理學會主席彼得?奈特說，此次的成就可以與人類發現DNA和登陸月球相媲美。利物浦大學粒子物理系主任瑟密斯?布考克則稱，這次發現就像“哥倫布發現美洲大陸”。歐洲核子中心總監羅夫?霍雅說：“今天是人類自然觀的一個里程碑?！狈ㄐ律缭u論說，這一發現的重要意義絲毫不亞于愛因斯坦首次系統地闡釋量子物理學。英國《泰晤士報》將它與牛頓萬有引力、達爾文進化論、青霉素、ＤＮＡ雙螺旋結構和克隆羊多利等科學成就相提并論。不少科學家認為，這是人類揭開宇宙起源之迷的里程碑性事件。人類現代物理學建立起的標準模型，將由此得到進一步確認與發展，并將開創一個物理學的新時代。

對于歐洲核子研究中心取得的這一最新研究成果，因揭示粒子物理強相互作用理論中的漸近自由現象而榮獲2004年諾貝爾物理學獎的戴維?格羅斯說：“這對我，對所有的物理學家，對全人類來說都是偉大的一天。我一整天都沒能停止微笑?！备窳_斯說：“這個發現既是一個時代的結束，又是一個新的開始。”新發現的結果鞏固了標準模型，但也提出了新的問題?！拔覀儸F在有機會探測那些被稱之為希格斯域的東西，這是一個新的領域。這僅僅是個開始。大型強子對撞機是一個20年的計劃。它已經記錄的只是在實驗過程中應該被記錄的事件的大約2%。”

希格斯玻色子是量子物理標準模型預言的一種基本粒子，也是量子物理標準模型中最后一個未被試驗證實的基本粒子，用來解釋標準模型中的基本粒子為何具有質量，也被喻為“上帝粒子”。自英國物理學家彼得?希格斯（Peter Higgs）在1964年預言了希格斯粒子的存在以來，科學界已找了它數十年。如果無法驗證它的存在，則粒子物理學的理論大廈會因此動搖。出于希格斯玻色子的重要性和尋找難度，許多人把它稱作“上帝粒子”。2011年12月，歐洲核子研究中心的兩個小組宣布，從大型強子對撞機的數據中發現了希格斯玻色子存在的跡象。一些科學家認為，尋找希格斯玻色子的范圍已經大大縮小，2012年可能取得成果（見本刊2012年第2期，奇云撰寫的《2012：我們和“上帝粒子”有個約會》一文）。如今，上帝粒子同期而至，怎能不讓物理學家倍感興奮。

在發布會上，83歲的希格斯教授喜極而泣。他說：“今天是物理學的大喜日子！難以置信的是，這樣偉大的發現竟然會在我的有生之年發生。我為自己是一位物理學家而感到驕傲！”他向所有參與這項工作的研究人員表示衷心的祝賀，稱他們的工作是“一項偉大的成就”。

英國著名科學家史蒂芬?霍金當天也對此表示祝賀。他在接受英國廣播公司采訪時表示：“這是一個重要的發現，應該能帶給希格斯一個諾貝爾獎?！辈贿^，在慷慨地給予希格斯“諾貝爾獎提名”的同時，霍金也風趣地提到了自己的小小“失落”。他說：“我曾經和美國密歇根大學的凱恩教授打賭，認為希格斯玻色子不會被找到，看來我剛剛輸掉了100美元?！?/p>

新粒子是希格斯玻色子的可能性高達99.99994%。

歐洲核子研究中心大型強子對撞機（簡稱LHC）的壓縮μ子螺旋型磁譜儀（簡稱CMS，又叫“緊湊渺子線圈”）實驗組和超導環場探測器（簡稱ATLAS）實驗組，是歐洲核子中心尋找希格斯玻色子的兩個獨立科研小組。兩個小組實驗目的一樣，但是兩者的磁鐵系統采用了完全不同的技術和設計。

發布會上，CMS探測器實驗組的發言人喬?因坎迪拉代表科研人員首先上臺說，此次發現的疑似“上帝粒子”的新粒子，其能量在125至126千兆電子伏特之間，這意味著該粒子的質量是質子的125至126倍。新粒子的質量已經確定，而且在統計學上有極高的確定性。因坎迪拉稱，這一發現意義十分重大，正是出于這一原因，我們在進行所有研究和交叉檢驗時必須非常仔細。新發現的粒子毫無疑問是一種玻色子，也是迄今為止所發現的最重的玻色子。

而另一個研究小組Atlas探測器的發言人法比奧拉?吉亞諾蒂隨后也宣布，他們同樣在125至126千兆電子伏特之間觀測到了新玻色子。發布會上，歐洲核子研究中心發言人表示，當他們將實驗結果綜進行合并分析后，得到的關于希格斯粒子的置信度達到5西格瑪（或5標準差）。在粒子物理學中，5西格瑪被視作一項新發現的門檻。5西格瑪換算成統計誤差率，大約為0.00006％。換句話說，這個粒子是希格斯玻色子的可能性高達99.99994%。在粒子物理學界，若要證實某一發現，數據統計確定性需要達到5標準差；若要作為證據，統計確定性只需要達到3標準差。

現在，歐洲核子研究中心的官方說法是，找到了一種符合希格斯玻色子條件的新粒子。其意思是，科學家們找到了一種新的粒子，它產生的范圍符合理論學家針對希格斯玻色子出現的計算范疇。而主席豪威爾則對外說：“對于外行來說，我們是已經找到了希格斯玻色子；對于內行來說，還需要進一步確認。”費米實驗室主任皮爾?奧登則是這么表達他的看法的：“如果它看著像是只鴨子，走路也像只鴨子，那它就是一只鴨子。”言下之意，這個新發現的粒子就是希格斯玻色子！

發現希格斯玻色子的重要意義

自1995年粒子物理學家發現了頂夸克之后，已經有17年沒有發現任何新粒子了。過去的17年中，可以用‘郁悶’來形容粒子物理學家的集體狀態。因為，他們不僅沒有發現任何新粒子，也沒有太多的其他發現。而這種郁悶，隨著希格斯玻色子的發現，宣告結束。

如果不出意外，這意味著標準模型中的所有粒子都已經找到，那么粒子物理學家們是否從此沒事可干了？恰恰相反，在物理學家看來，找到“上帝粒子”只是開始。還有更多的實驗需要去做，比如確切證明新粒子就是上帝粒子，詳細研究它的性質，包括它與其他粒子的相互作用是怎么樣的。要知道，我們目前所認知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物質占了23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。而希格斯玻色子既可能與標準模型中的基本粒子相互作用，也可能會與詭秘的大質量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質。標準模型只能解釋4%的宇宙，占宇宙質量96%的暗物質與暗能量仍然沒有得到解釋。要獲取更多的信息，大型強子對撞機的各種實驗還要不停地做下去，而且還要提高能量級別。預計在2013年，大型強子對撞機會達到滿負荷14萬億電子伏特運轉，是現在的兩倍。

經常會有人提這樣的問題，花那么大的代價，那么多的人力物力，去尋找什么玄而又玄的希格斯粒子，到底有什么用？到底值不值？

事實上，科學上很多重要的發現都不是出于功利的目的。人之所以和世界上其他的動物不同，就在于人有好奇心，對真理的追求。諸如，我們從哪里來，到哪里去？宇宙從哪里來，到哪里去？這個世界到底是什么？對這些終極問題的求索，使得人類世界與動物世界有了根本不同的面貌。

理論物理學研究的特點，是超前性非常強?？赡軒资暌詢?，你不一定看得到它的應用價值和經濟效應，但它一定是有各種你意想不到的潛力的。好比當年創建量子力學的那些物理學家，他們的興趣也許只為探索物質世界的終極奧秘，但如果沒有建立在量子力學基礎上的半導體理論，電子計算機的發明就完全不可能，我們今天信息時代的生活也就不可想象。同樣，居里夫人發現原子核的時候，人們也不知道后來會有核武器、核發電，還可以用來治病……人類想搞清楚自然界的奧秘，就是一種好奇心，對真理的追求，我們不能要求科學研究一定馬上要有用，但從歷史經驗來看，物理學研究的成果會轉變成巨大的生產力。

希格斯玻色子是標準模型的最后一塊拼圖，但我們知道，這個模型之外，還有其他的粒子和力。這意味著，即便希格斯玻色子的終于發現，填補上了物理學標準模型的最后一塊拼圖，但不代表粒子物理學畫上圓滿的句號。發現希格斯粒子，只是穩固了既有理論體系的基礎，證明了標準模型理論的可靠性，而在標準模型的基礎上，科學家尋求最終的“大一統”的物理理論，還有很長的路要走。

（作者系淮南聯合大學副教授）