“上帝粒子”现身？或颠覆现有物理学体系

 2012年07月05日  来源： 新华科技  张田勘（学者）

“疑似”上帝粒子被发现或将解开物质质量来源之谜

欧洲核子研究中心４日宣布，该中心的两个强子对撞实验项目——ＡＴＬＡＳ和ＣＭＳ均发现一种新的粒子，具有和科学家们多年以来一直寻找的希格斯玻色子相一致的特性。

ＡＴＬＡＳ和ＣＭＳ研究小组在４日上午的学术研讨会上介绍各自研究成果，分别确认目前通过大型强子对撞机取得的数据发现了在１２５－１２６吉电子伏特质量区间存在一种新的粒子，数据的确定性为５西格玛，即理论物理界可以确认“发现”的水平。

“我们发现了一种新的玻色子，很可能是希格斯玻色子，但我们必须确认它是哪一种希格斯玻色子，”研究中心主任、德国粒子物理学家罗尔夫·霍伊尔在当天的记者会上说。

他为这一重大发现感到骄傲和欣喜，称之为人类理解自然和宇宙的“里程碑”。但对于这一新粒子是否就是理论物理标准模型中最后一个尚未被发现的希格斯玻色子，霍伊尔仍保持了科学家的严谨。“作为外行，我觉得我们找到它了。但作为科学家，我得问，‘我们找到的是什么？’”

罗尔夫·霍伊尔认为，这一发现为进一步研究开辟了道路，还需要更加大量的数据来确认新粒子的特性——是否与标准模型中假设的希格斯粒子特性完全吻合，还是有一些不匹配的地方，如果是后者，则将开辟标准模型之外的物理学新领域。

研究者称，目前仍有部分数据在分析中，４日展示的分析结果预计将于７月底发表，而更加完整的研究结论将在大型强子对撞机提供更多数据后，于今年晚些时候发布。

希格斯玻色子是物理学基本粒子“标准模型”预言的一种自旋为零的玻色子，因１９６４年提出“希格斯机制”理论的英国爱丁堡大学物理学家彼得·希格斯而得名。“标准模型”预言了６２种基本粒子的存在，希格斯玻色子是最后一种未被证明存在的基本粒子，由于它难以寻觅又极为重要，因此也被称为“上帝粒子”。

彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有粒子在除引力外的另３种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。

希格斯出席了当天的研讨会，并在发布会台下就座。当研究中心的科学家进行报告时，他一度摘下眼镜、拿起纸巾擦拭双眼。在研讨会结束时，他祝贺研究中心及其科学家们取得的成绩说：“难以相信在我有生之年看到它的发生。”但他并未回答记者关于该发现的相关问题。

当天，举办研讨会的学术报告厅座无虚席。研究团队报告结束后，听众报以长时间的掌声，向科学家表示祝贺。ＡＴＬＡＳ小组发言人贾诺蒂说：“感谢你，自然。”ＣＭＳ小组发言人因坎代拉也难掩激动之情。

欧洲核子研究中心运行的大型强子对撞机对这一发现功不可没。今年４月，大型强子对撞机的质子束流总能量提高到８万亿电子伏特，创造了一项新世界记录，大幅增加了对撞机的潜力，使得发现希格斯玻色子的机会大增。大型强子对撞机预计将运行到今年年底，随后进行为期两年的停机维护。

无论当天宣布的最新发现是否标志着持续４０多年寻找“上帝粒子”的工作已接近尾声，科学家们都对未来更加充满期待。“它为我们未来的研究指明了方向……研究这一有趣的新粒子的漫长旅程才刚刚开始，”霍伊尔说。

今年已经８３岁的希格斯说：“这些结果浮现的速度让我震惊和喜悦……我没想到自己能在有生之年看到这一切的发生。”英国著名科学家史蒂芬·霍金当天也对此表示祝贺。他在接受英国广播公司（ＢＢＣ）采访时表示：“这是一个重要的发现，应该能带给彼得·希格斯一个诺贝尔奖。”

不过在慷慨地给予希格斯“诺贝尔奖提名”的同时，霍金也风趣地提到了自己的小小“失落”。他说：“我曾经和美国密歇根大学的凯恩教授打赌，认为希格斯玻色子不会被找到，看来我刚刚输掉了１００美元。”

这两个项目名为“紧凑缪子线圈”（ＣＭＳ）和“超环面仪器”（ＡＴＬＡＳ），两个相关的研究小组在４日上午举行学术研讨会，分别确认通过大型强子对撞机取得数据后，研究人员发现了一种很可能是希格斯玻色子的粒子。尽管相关负责人表示，这仅是初步结果，还需进一步验证，但已足以引起全球科学界的关注。

参与欧洲大型强子对撞机工作的加州理工学院物理学教授玛丽亚·斯皮罗普卢说，即便这只是一个初步结果，也能为人们解答宇宙中质量如何而来这个问题提供重要线索。这是一项无与伦比的成就，全球范围内，各大学和实验室的粒子物理学家、工程师、技术人员已为这一时刻的到来努力工作了数十载，今后要做的就是衡量新粒子的量子属性，确定它是否是“标准模型”中的希格斯玻色子。

经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，它把基本粒子分成３大类：夸克、轻子与玻色子。“标准模型”预言了６２种基本粒子的存在，希格斯玻色子是最后一种未被证明存在的基本粒子，由于它难以寻觅又极为重要，因此也被称为“上帝粒子”。

加州理工学院教授哈维·纽曼认为，这是粒子物理学和科学探索史上的重大时刻，意义深远。这一新发现将人们领入实验和理论物理的新领域。

加州大学圣芭芭拉分校物理学家、“紧凑缪子线圈”项目首席科学家乔·因坎代拉认为，这一发现意义“非常非常显著”，可能是这一领域过去３０到４０年中最大的发现之一，就好比当年夸克的发现一样。

早在上个世纪，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。

“上帝粒子”若确实存在，将使得科学家解释世界的一种假说有可能得到证实。

　　据报道，欧洲核子研究中心的科学家4日表示，他们在寻找希格斯粒子、也就是所谓的“上帝粒子”的研究过程中发现了一种新型亚原子粒子，该粒子符合希格斯粒子的属性。而美国能源部下属的费米国家加速器实验室项目发言人罗布·罗泽说：“我们的数据有力地显示希格斯粒子的存在。”

　　科学家宣布发现“上帝粒子”的存在意味着，科学家解释世界的一种假说将有可能得到证实。

　　要理解“上帝粒子”，不妨回忆一下牛顿发现万有引力定律的故事。尽管研究人员已经证明，苹果并没有砸中牛顿脑袋，但是牛顿却看见了一个苹果掉了下来。牛顿思考的是，为什么苹果会垂直地掉到地上？一定是有什么在拉它，比如是地球的引力在拉它。而地球拉苹果说明苹果是有质量的。

　　那么，物体的质量从何而来？在牛顿故去后的400年，英国爱丁堡大学物理学家希格斯猜想：有一种粒子赋予其他粒子质量。他于1964年提出，在137亿年前的大爆炸中，希格斯粒子使物质得到质量，万有引力则将质量变成重量，使恒星和行星都得以诞生，最终孕育生命。如此，也解释了为何苹果会掉到地上。

　　“上帝粒子”只不过是科学家用以解释世界的一种理论或假说。过去，科学家已经指出，支配物质运动的不仅仅有我们日常生活中能够感受到的重力和电磁力，还有我们日常生活中无法感受的“强力”和“弱力”。

　　20世纪60年代，物理学家们构造出了一个标准模型来解释世界，标准模型主要描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力以及所有基本粒子的构成机制。标准模型预言有61个基本粒子，其中有60个都已经得到了实验数据的支持与验证，现在人们也已听到最后的一个基本粒子——希格斯粒子的脚步声。

　　如果发现或找到了这种粒子，那就意味着质量是物质与希格斯粒子的相互作用的结果。但是，即便科学家找到了“上帝粒子”也并不意味着世界获得圆满解释。因为科学家说，组成我们生活的世界是由物质和暗物质构成的，而标准模型只能解释4%的宇宙，占宇宙质量96%的暗物质仍然得不到解释。

　　当然，如果现在科学家听到的“脚步声”并非希格斯粒子的声音，那么，解释世界就可能会有另外的假说，而且这样的假说也未必不能解释世界。例如，在太空，苹果是不会掉下的，只是在空间飘浮。这或许与希格斯粒子无关。宇宙和我们生存的世界一直存在，只是科学家们现在尚无法圆满解释这个世界而已。

连接：物理学家认为，这一重大发现很有可能会颠覆当前物理学家的看法。

　　如果这一在物理学博客中所盛传的说法如实的话，那么近二十年来物理学最重要的时刻即将在几天后来临。科学家苦苦寻找了多年的希格斯-玻色子的存在证据有可能在7月4日被正式宣布，这一发现将为粒子物理标准模型拼图放上最关键的一块，数以千计的科学家为这一辉煌的成就奉献了自己几十年的光阴。随着这一辉煌时刻的来临，新的问题又出现了。希格斯-玻色子现在看起来好像有点太过于平凡了，似乎配不上它“上帝粒子”的称号。

　　欧洲大型强子对撞机项目物理学家已经做好了准备向世界展现他们捕捉希格斯-玻色子的最新进展。希格斯-玻色子是一种奇特的粒子，它存在于空间的任何一点，和其他所有的基本粒子相互作用，并且将自己的质量赋予它们。但是很多物理学家已经做好了失望的准备。因为科学家们已经对这个粒子的到来翘首渴望了太久，他们以为当他们最终找到这种粒子的时候，它可以表现出一些意料之外的特性，即使是一些反常甚至不守规矩的性质。一个完美展现其特性的希格斯-玻色子并没有给兴奋的物理学家太多想象空间，包括那些理论学者所预想会出现在大型强子对撞机中的一些情况。

　　当前的现状已经开始让一些物理学家感到担忧了，如果接下来的几年还没有一些令人感兴趣的研究成果出现的话，那这个领域的研究就会陷入危机了。从20世纪中期开始，粒子物理学家建立了一套被称为标准模型的理论，这一套理论对所有的宇宙中的亚原子粒子都适用。但是这一套理论还远远称不上完美，它还有着相当的缺陷。比如在之前，理论中的数字都没得到试验的检验。因此标准模型依然还有很多问题亟待解决。

　　许许多多的竞争者们相继开始对标准模型进行研究并试图完善之，但是其中最令人满意的莫过于被称为超对称性的理论。为了完善标准模型，超对称性理论假设所有已知的粒子都有一个更加巨大的超对称粒子潜伏于亚原子世界中。康奈尔大学理论物理学家恰巴-萨奇说，“对于粒子物理学家来说，对称性越强，这个理论越成立。所以绝大多数粒子物理学家都对超对称性理论一见钟情。”

　　但是最具戏剧性的部分是，欧洲大型强子对撞机不仅仅用来寻找希格斯-玻色子，它同时还用来寻找这些超对称性的超伴子。但是到目前为止，科学家们一无所获。而且，一切迹象表明科学家们应该可以找到重为125千兆电子伏，或者说125倍于质子的希格斯-玻色子，而且标准模型理确实预测到了这种粒子的存在。这对历经坎坷的标准模型来说是一个极好的消息，但是对于它的救星理论、超对称性理论来说却不是什么好消息。

　　超对称性理论于20世纪60年代被首次提出，而且在粒子物理学的全盛时期，20世纪70到80年代得到了真正的发展。在那个时期，大型粒子加速器能将亚原子粒子碰撞粉碎后发现一些新的东西，包括夸克和W及Z玻色子。超对称性理论得到了长足的发展，但是模型中所预言的粒子却迟迟没有出现。

　　在2010年，欧洲大型强子对撞机运行之前，许多物理学家都对它能够为超对称性理论找到一些新的证据充满期待。除开一些令人期许的结果，实验的结果让科学家的期待又一次落空。这让一些科学家开始怀疑，他们所钟爱的超对称性理论是不是真的是一个可靠的理论。

　　大型强子对撞机两项主要实验之一研究人员、粒子物理学家托马索-多里戈说，“它是一个漂亮的理论，如果它被证明是可靠的理论的话，我会很爱它的。但是到目前为止还没有足够的证据。在过去的20年里，人们都宣称，距离超对称性理论被完全证实不远了。”即使在过去的许多年内这些研究都没有任何结果，但是科学家们依然在为理论中的粒子不出现而做着各种各样的解释与说明。萨奇说，“可是，超对称性理论的最简单的版本已经被推翻了，希格斯-玻色子的出现让很多科学家开始紧张起来。调整这个理论来解释为什么超伴子始终没有出现的行为已经让超对称性理论的美丽开始凋零。”例如，超对称性理论最美的一个方面称，额外的亚原子粒子会产生完美的暗物质候选者。改变超对称性可以摆脱这些潜在的暗物质粒子，并且更大的改变会让这个理论变得没那么有用。

　　萨奇表示，“总有一天我们会好好审视，这个理论到底还是不是我们钟爱的那一个。”当然，一切还未结束。大型强子对撞机依旧在进行粒子对撞，而且在接下来的几年，粒子对撞工作会在更大的能量强度下进行，也许到时候实验结果会将超对称性理论带向光明。2013年加速器会被关闭进行检修，2014年和2015年，对撞机会在其最大容量下进行作业。

　　许多物理学家都急切地希望看到到底预测中最轻的超对称粒子也被称为超对称性夸克会不会出现。超对称性夸克是超对称性理论的核心部分，它需要用来解释很多希格斯-玻色子的性质。如果它不出现，很多物理学家都将会彻底放弃这个理论。

　　萨奇说，“如果在两年后大型强子对撞机依然没有带来任何想要的结果的话，我们最好换一种思路来看待这个事情了。现在我们就像处于某种危机之下一样。”

　　虽然目前的情况是看上去挺麻烦，但是这并不会对物理学的发展造成什么障碍。标准模型依然存在漏洞，而且我们依然需要一些适用于宇宙中暗物质和能量的理论。有的实验结果需要额外的作用力，或者粒子之间新的互相作用，对于希格斯-玻色子来说它本身也需要更加简单的形成方式。密西西比大学粒子物理学家拉马特-拉马特表示，“然而各种理论在成为自然的基本模型之前都有自身的问题亟待解决。”

　　到目前为止，超对称性理论依然领跑，而且大多数物理学家对其依然抱有较为乐观的态度。萨奇说，“我比较相信，在发现希格斯-玻色子之后，我们还会在不久的将来发现更多别的东西。”(彬彬)