陈坤白举纲:[图文]对撞机疑发现“上帝粒子”希格斯-波色子

　　这幅图显示大型强子对撞机(LHC)紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)仪器的数据是如何证实或排除希格斯粒子在不同能级水平上的存在的。

紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)仪器结构示意图，长21米，宽15米，高15米

ATLAS探测设备示意图，长46米，宽25米，高25米，确实是一台超级庞然大物

　　希格斯-波色子通常又被称为“上帝粒子”，它被认为是万物的“质量之源”，同时也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。物理学界长期以来试图寻找它踪迹的努力皆以失败告终，因此这种行踪诡秘的神秘粒子一直让科学家们为之疯狂。不过现在，来自欧洲大型强子对撞机(LHC)的数据显示，这种一直以来毫无踪迹的“上帝粒子”可能已经被找到了。

　　当然在此之前一直就有这种说法，说美国芝加哥附近的费米加速器已经找到了希格斯-波色子，尽管这种说法一度平息下去，但是最近几个月又一次出现起伏，甚嚣尘上。

　　而这一次的消息则要靠谱的多：欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)的两台希格斯粒子探测仪器在该设备产生的海量数据中同时记录到了疑似信号。尽管谨慎地说，这一信号目前还未能清晰到足以判定此项发现，但是这至少意味着这台耗资超过100亿美元，号称是这颗星球上最庞大复杂，同时也是最昂贵的科学仪器，毕竟正在朝着正确的方向前进。

　　LHC项目ATLAS探测设备设计小组发言人法波拉·托内利(Fabiola Tonelli)告诉英国《卫报》记者说：“我们现在还不能下任何断言，但是毫无疑问的，这非常有趣。”而令人振奋的是，另一台探测设备：紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(Compact Muon Solenoid,CMS)小组也同样报告了探测到疑似信号结果。

　　这两个小组各自独立地于周五在法国召开的欧洲物理学会议上报告了自己的结果，这一会议是物理学界最大型的粒子物理学交流平台之一。ATLAS和CMS小组一直以来都在埋头于LHC对撞设备产生的数以亿万计的数据点阵中，苦苦寻找可能显示希格斯-波色子曾短暂存在的统计学信号。

　　根据此次的最新分析结果，物理学标准模预言的希格斯-波色子类型可能将在大约1400亿电子伏，即140 GeV的能级上出现。

　　考虑到统计学上的严谨性，此次的数据结果还无法支持一项确定的科学发现报告。不过无论如何，两台设备得到这样非常类似的疑似信号是非常令人兴奋的。

　　来自美国费米国家实验室的粒子物理学家唐纳德·林肯(Donald Lincoln)同时也是CMS小组成员，他说：“如果你现在去询问任何一位有名望的物理学家，他们也不能告诉你任何更多的消息，他们只会说这非常非常有趣，而我能告诉你的，就是：这确实非常非常有趣。”

　　但是很显然还有很多科学家对此并不信服。意大利帕多瓦大学的托马索·多里格(Tommaso Dorigo)教授也是CMS小组成员，同时还担任美国费米实验室CDF小组成员。他说他“没有看到任何和希格斯-波色子有关的疑似信号”。几乎和前面所述的相反，他认为此次LHC所使用的能级恰恰给出了理论预言的希格斯粒子最不可能出现的能级。不过大多数物理学家都同意这样一个说法，那就是有关这种神秘粒子究竟是否存在这一终极问题，物理学家们不久之后应当就能给出一个相当明确的答案。

　　如林肯就说：“我讨厌进行具体的预测，但是很显然，考虑到目前的表现和进度，我想希格斯粒子被证实或者被排除的时间应该就会发生在最近几个月或几年内。”

　　寻找希格斯-波色子

　　寻找希格斯-波色子是一项巨大的工程，事实上这也是当初全世界合力建造这台超大型科学设备的主要初衷。

　　LHC设备位于法国-瑞士边境，它拥有一个长达27公里的地下环形隧道。在这个隧道中，粒子会被加速到接近光速并迎面对撞。撞击的结果会由安装在隧道各处的各种专用探测器捕捉并进行数据分析。

　　这种极高能对撞会产生一些极其罕见的物质，但是它们会瞬间衰变成较为常见的亚原子粒子，但是根据仪器记录到的数据，对这些粒子的分布情况，运动方向和速度等数据进行分析，物理学家们能够揭开一系列困扰人类的最基本问题，如宇宙诞生时的状况，暗物质的本质，以及宇宙中可能存在的其它维度。

　　而希格斯-波色子和它附带的希格斯场，则是所有这些困扰人类的“终极问题”中的一个。早在上世纪60年代，英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)就和其他科学家合作，预言了这种神秘粒子的存在，这种粒子被视为是自然界粒子质量的来源。

　　长期以来物理学家一直知道有一些组成物质的粒子具有质量，如夸克和轻子，但是也有一些粒子却没有质量，如光子。那么，究竟是什么决定了这两者的不同？

　　针对这个问题，希格斯和他的同事们提出了一种特殊的场，即希格斯场理论。根据这一理论，存在一种类似磁场的“希格斯场”，它对不同粒子施加不同的影响，从而形成了质量为零和质量非零的不同粒子。

　　在粒子物理学中，场这一概念常常会和携带力的粒子相关联，并被归入“波色子”的范畴。而和希格斯场相互作用的粒子则被称为希格斯-波色子。诺贝尔奖获得者莱恩·林德曼(Leon Lederman)为这种粒子取了一个雅号叫“上帝粒子”。这是因为这种粒子在我们对于宇宙的理解中起着核心却微妙的作用。不过希格斯本人和其他很多物理学家痛恨这个名字，因为他们认为这个名字可能会误导或激怒某些人群。

　　如果希格斯-波色子终于被找到，并且并证明其行为方式符合标准模型的预言，那么这将是一个历史性的时刻，证明我们长久以来对于宇宙结构的理解是正确的。但如果希格斯-波色子最终无法找到，或者即使找到，但是其行为不符合标准模型预言，那样的话将更加令人兴奋，因为那样就意味着物理学家们重新面临一个机会，回到一张白纸跟前，重新构思他们有关宇宙最根本运行模式的想法。

　　就现在而言，要预言这样的推倒重来究竟会对科学界或我们的日常生活产生何种影响还为时过早。但是就在大约100年前，我们的社会便经历过这样的一次颠覆性科学思维革命。当时量子理论和相对论被提出来用以解释一些观察到的，用19世纪的经典物理学无论如何也无法解释的新现象。正是那次的科学革命，改变了我们的世界，带来了从原子弹和核电站，从微波炉到激光器的各种发明。所以说，在现在这个阶段，谁能预言后标准模型时代会是怎样的一幅图景呢？

　　有一点需要指出，那就是发现希格斯-波色子的过程可不像是发现新大陆那样是一瞬间的狂喜，而是一个漫长而艰辛的过程。海量的数据需要分析，无数的统计学结果需要过滤，以便找出潜在隐藏的信号。

　　林肯形象的解说：“这就像是在一个大雾天行走于人群之中，然后你睁大眼睛，等待你在人海中认出你要找的那个人的脸的那一刻。”这可能就是21世纪物理学新发现的普遍模式：首先你会注意到一些蛛丝马迹，暗示前方将出现一种有趣的新现象，于是你需要更多的数据来确认自己的发现，最后才是恍然大悟，意识到所有这一切的时候。所以，对于这一似乎预示着曙光的结果，让我们拭目以待。