霍金老師要輸了:歐核子研究部發現上帝粒子跡象
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- 時間:2011/12/22 11:01:25 來源:中青在線-中國青年報
核心提示：三年前著名理論物理學家斯蒂芬·霍金出100美元打賭人類找不到基本粒子質量之源“上帝粒子”，而13日從歐洲核子研究中心發布的結果來看，人類已經用世界上最強的超顯微鏡發現了疑似它存在的痕跡。
大名鼎鼎的理論物理學家斯蒂芬·霍金要輸了！
3年前，他押下100美元的賭注，打賭人類永遠也不可能發現希格斯粒子——這種有著“上帝粒子”之稱的神秘粒子，被認為是宇宙中所有基本粒子的質量之源。
2011年12月13日，歐洲核子研究中心召開研討會宣布，目前世界上“最強大的超級顯微鏡”——大型強子對撞機尋找希格斯粒子時出現“重要進展”。ATLAS和CMS這兩個獨立的研究組均在相似的能區附近觀察到很可能是這一粒子衰變之后留下的痕跡。
“這預示著一種發現的可能性。”ATLAS實驗項目中國組負責人金山對中國青年報記者說。CMS實驗項目中國組物理分析負責人陳國明持有相同的觀點，同時強調這亦可能只是一次“統計漲落”。在尋找希格斯粒子的道路上，這兩位來自中國科學院高能物理研究所的研究員已經花了超過10年的時間。
盡管科學家措辭謹慎，但實驗結果依然令人激動不已。法新社評論說，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。如果最終證明希格斯粒子只是一種幻想，科學家將不得不回到原點重寫粒子物理學課本。
“某種程度上，它的重要性堪比創造了一切的上帝。”陳國明解釋說，“在宇宙大爆炸之初，希格斯粒子賦予基本粒子質量，使得物質得以形成、凝聚、演化，最終形成了星系，也形成了我們。”
打賭上帝粒子不存在，這就像批評了已經去世的戴安娜王妃
在宇宙大爆炸發生137億年之后，為了捕獲希格斯粒子，人類齊集了最尖端的科學技術，嘗試還原當時爆炸的一瞬間。
在橫跨法國和瑞士邊境的大地之下，大型強子對撞機占據著一條長27公里的圓形隧道。這個空曠的地下世界相當于4個梵蒂岡，如果你要走完全程，要花上整整4個小時。
自2010年3月正式啟動以來，這條隧道每秒鐘都迎來千萬次爆炸。在一條環形加速管道中，方向相反，各具有3.5 TeV（兆兆電子伏特）能量的質子團在4個對撞點不斷碰撞。
陳國明介紹說，幾百電子伏特的X光就足以把人類“穿透”，兆兆級別的能量會使質子在對撞時完全被打碎，無數粒子瞬間噴發，仿佛一次“宇宙小爆炸”。
每一個對撞點上都架起了上萬噸重的粒子探測器，它們猶如平躺著的碩大無比的啤酒桶，將對撞點嚴實地包裹起來，并承載不同的實驗功能。其中，名為CMS和ATLAS的兩個探測器的主要使命就是探索可能出現的希格斯粒子的信號。
爆炸的瞬間，各種參數通過計算機網格系統先傳到位于日內瓦的歐洲核子研究中心的零級計算機，隨即送達分布在5個地區的一級計算機站點和上百個二級計算機站點，最終抵達三級計算機系統。這個龐大的網絡網羅了全世界幾十萬臺計算機。
在電腦屏幕前守候的，是來自全球80多個國家的科學家，其中，參與CMS和ATLAS研究組的學者就各有3000多名。
如此龐大的陣容，只是為了尋找一個小得幾乎不占任何空間的粒子。這一切，還得先從40多年前一個名為斯蒂芬·溫伯格的物理學家所提出的“標準模型”說起。
1967年，溫伯格發表論文，指出一切物體都是由輕子和夸克這兩大類基本而不可再分的粒子構成的，并嘗試將自然界中除引力以外的三種相互作用力——電磁相互作用力、強相互作用力和弱相互作用力統一起來。
用英國曼徹斯特大學理論物理學家杰夫·佛爾莎的話說，標準模型就像它的名字一樣雄心勃勃，意味著“我們肉眼可見的一切，無論多么復雜而多元，都是由一小撮基本的粒子，根據同樣簡單的規律相互作用而構建起來的”。
“一開始，根本沒人相信這個。”中國科學院理論物理研究所研究員李淼對中國青年報記者說，有關標準模型的論文發表后，3年內皆無任何引用，直到上世紀70年代初期，其預言的“中性流”首次被實驗證實，模型才為學界重視。
隨后的20多年里，這個模型經受了各種挑戰，終于在1979年斬獲諾貝爾獎。直到今天，它所預言的61種基本粒子已有60種被成功發現，剩下的一個，便是希格斯粒子。但這個漏網之魚，恰恰是“標準模型”這幢摩天大樓的根基所在。
“這個模型是用規范對稱性建立的，根據這個對稱性，有些基本粒子本身不能有質量，否則整個模型就不能統一。”中國科學院理論物理研究所所長王貽芳對中國青年報記者說，為了解決基本粒子質量從哪兒來的問題，標準模型引入由蘇格蘭物理學家彼特·希格斯所提出的“希格斯機制”——在宇宙誕生之初，希格斯粒子所產生的場與基本粒子互相作用，從而賦予它們質量。
在佛爾莎看來，希格斯粒子“拯救了世界”，讓人類得以理解“為什么宇宙既是由有質量的粒子組成的，同時又美妙地保持著對稱”。與佛爾莎一樣，許多物理學家相信希格斯粒子是浩瀚宇宙中質量起源時不可缺失的一環。
2008年3月，霍金賭注剛下，物理學界就炸開了鍋，反應最為激烈的莫過于希格斯本人。他悲痛地回應，霍金的挑戰“就像是在批評已經去世的戴安娜王妃”。
找了20多年還沒有發現上帝粒子，真是讓人鬧心
但即便派上了全世界最頂尖的技術和最優秀的物理學家，要逮捕支撐宇宙根基的一個粒子，依然比大海撈針還難。
“希格斯粒子產生的幾率非常低，可以說是每1012次的質子對撞，才可能產生一次。”陳國明說。更加困難的是，這種粒子一旦產生就轉瞬即逝，在10億分之一秒之后，它會通過不同渠道，衰變成光子和輕子等其他粒子。
今年以來，大型強子對撞機內每一秒鐘發生著大約4000萬次的質子對撞。初步排除一些“沒有意義的事件”之后，這些極其龐大的數據便逐步分流到在全球不同角落工作的物理學家手里。根據所處研究小組的不同，物理學家們各自監控著希格斯粒子的衰變渠道。
“我們整天對著計算機，絞盡腦汁地分析，”金山介紹說，“每一次從提取原始數據，到最后得出分析結果，都要經過半年時間。”
一度，大型強子對撞機的實驗結果讓人沮喪。在運行了20個月之后，學者們發現不同衰變渠道上的能量幾乎沒有任何“超出”。按照預期，希格斯粒子一旦現身，科學家們緊緊盯著的函數曲線上將呈現“小鼓包”。
今年10月，赴歐洲核子研究中心參加定期會議的金山感受到“一片消極氣氛”。“畢竟這個項目許多國家都投入了錢。”金山說。光在籌建階段，大型強子對撞機就使用了來自40個國家的60億歐元，其中在CMS和ATLAS探測器的建造上，中國分別投入了1%和0.5%的經費。此后，對撞機每運行一個小時，都需花費大約20萬瑞士法郎，這些費用同樣由參與實驗的國家分攤。
陳國明也承認其時心情糟糕。“找了20多年也沒有找到，真是讓人鬧心！”與金山一樣，陳國明早年曾參加大型強子對撞機的前身——正負電子對撞機的實驗工作，見證了幾代加速器在尋找希格斯粒子的道路上如何“前仆后繼”。
自1989年起，就在大型強子對撞機如今安身的那條隧道里，正負電子對撞機運行了11年，一直沒有發現希格斯粒子。2000年，為了騰出空間打造能量更大的大型強子對撞機，正負電子對撞機停工。在大洋彼岸，位于美國費米實驗室的Tevatron加速器更在1985年便開始對撞，在長達26年的時間里始終沒有發現希格斯粒子的身影，今年10月，該加速器因預算問題而關閉。
可事實上，這些加速器不是沒立下功勞，它們至少告訴了我們，在它們能夠達到的能量范圍內，希格斯粒子不在那里。“根據愛因斯坦的相對論，一個粒子質量越大，就需要越大的能量才能把它撞擊出來。”金山介紹說，“當時正負電子對撞機已經把114GeV（10億電子伏特）以下的能區完全排除了。”
當今能量最大的加速器——大型強子對撞機則不斷排除著更高的能區。今年8月，歐洲核子研究中心的科學家宣布，他們已經把從145GeV到480GeV的能區搜了一遍，“有95%的可能性，希格斯粒子不在那里”。
也就是說，這個粒子可以藏身的地方已經越來越小。8月過后，參與實驗的科學家進一步把窗口縮小到115 GeV到130 GeV之間，這讓全球物理界屏住了呼吸。一些媒體開始炒作“希格斯粒子可能并不存在”，《科學美國人》雜志亦發表文章，討論霍金是不是“剛剛贏了那場物理史上最狂妄的打賭”。
用一個粒子就解釋了質量的起源，這聽上去“很劃算”，但大自然很可能不是這樣的
多年以來，對希格斯粒子抱懷疑態度的大有人在。Alexander Unzicker，一個德國的年輕物理學家就精心打造了“賭一賭希格斯”的網站，公開宣稱他不相信希格斯粒子的存在。
乍看起來，這個從未現身的粒子確像是建構在一套高深莫測的理論之上的一個虛幻的假設。即使給專攻粒子物理的學生上課時，王貽芳也常常為怎樣將這套理論解釋清楚而頭痛。“這真的需要自己慢慢悟出來，可能到最后，很多學生也沒搞懂。”
“這是一個可以花上好幾個月來討論的爭議性話題，” Unzicker在其網站上寫道，“在這種情況下，德國哲學家康德會建議我們打個賭，他說，打賭是區分篤信和隨意觀點的最好方法。”自2009年12月以來，Unzicker像霍金一樣押下100美元的賭注，邀請各方網友與他打賭。
不過，在陳國明看來，判斷希格斯粒子是否存在還得憑借精確實驗的結果。就在外界傳播著各種小道消息時，科學家們則在緊鑼密鼓地分析數據。
“CMS和ATLAS這兩個研究組在競爭，研究組下的各個小組也在競爭，大家拿到數據之后，都搶著快點‘交作業’。”陳國明說。
陳國明介紹說，今年11月下旬，CMS研究組第一次看到“一些超出”，而金山也表示，ATLAS研究組在11月末觀察到“明顯的超出”。不過，在公布實驗結果之前，這兩個研究組的工作人員并不能互相交流信息。
12月13日，歐洲核子研究中心召開公開研討會。研討會定于下午2時舉行，為了占個好位置，金山特意早早地吃過午飯，11點半前就趕到了會場。不料可容納數百人的會議廳的門前已經排起長龍，金山坐到了最后一排，許多來晚了的工作人員干脆坐在了地上。
賭局即將揭曉，所有人都迫切地想知道，那一個40多年前即被預言，自20多年前就開始被探尋的神秘粒子，到底是否存在。
根據ATLAS和CMS實驗項目發言人公布的結果，兩個研究組分別在126GeV和124GeV附近觀察到“超出事例”。不過兩個研究組同時表明，目前的“超出”在統計學意義上仍然“沒有足夠顯著”，因而“在現階段還不能下任何判斷”。
在王貽芳看來，這一消息“非常重大，但不太讓人吃驚”。“大家之前都知道，希格斯粒子如果存在，大概就在這個區域了，如果真的是這樣，那‘標準模型’就太成功了，有一些人還希望它并不存在，那樣或許更熱鬧些。”
就在人們不斷逼近宇宙萬物質量起源的謎底之時，物理學家那顆不安分的好奇心越發強烈。在為英國《衛報》撰寫的文章中，佛爾莎坦言，“世界上沒有希格斯粒子”將是令她“最為興奮”的結果。
“歸根到底，它還是我們對世界的一種猜測，” 佛爾莎解釋說，“你用一個粒子，就解釋了質量的起源，這聽上去‘很劃算’，但大自然很可能不是這樣的。”
大自然到底選擇了怎樣的發展路徑？目前還是一個謎。不過歐洲核子研究中心已經保證，這一切將在2012年塵埃落定。“我們預計，明年夏天一定有大轟動，”金山激動地說，“或者是發現，或者是革命了！”
在這之前，金山和陳國明的面前依舊擺著大量枯燥的數據分析工作。“還是要冷靜，再冷靜。”陳國明說，他已經計劃，趁著歐美同行享受悠長的圣誕假期之際，帶領自己的研究團隊，繼續提高“尋找的靈敏度”。事實上，在質子對撞的瞬間產生的其他粒子也可能選擇了與希格斯粒子相似的衰變方式，從而混淆了數據。
“目前來說，希格斯粒子還只是一個傳說，我們要做的，就是實事求是地判斷。”陳國明說。
