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欧洲核子研究中心的 Atlas 探测器(TRT / Atlas / CERN)

  物理学家在过去的几十年中不仅建立了 粒子物理标准模型 ,还不断在更高的能量和更精确的层次上验证了标准模型。

  可是,这个模型中最重要的粒子——希格斯粒子,却一直没有露面。很久以前,实验物理学家、1988 年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼曾在一本科普书中将希格斯粒子称为 “上帝粒子” ,从此这个绰号就流行开来。为什么莱德曼将这个粒子拔高到这个高度?确实是有原因的。

  第一,所有已知的基本粒子的质量都靠希格斯粒子提供;其次,希格斯粒子在弱相互作用和电磁相互作用的统一中扮演着一个重要角色,它的存在使得这两个相互作用在一定的能量之下看上去完全不同,而在这个能量之上又变得不分彼此。最重要的是第三点,希格斯粒子的质量与真空的性质以及其他粒子在真空中不停产生和湮灭的过程有关。所以,希格斯粒子的质量大小将决定标准模型是否完备。

  欧洲核子研究中心总干事 Rolf Heuer(左)和 C.M.S. 研究团队发言人 Guido Tonelli 在发布会上,向世人公布寻找希格斯玻色子的情况(Salvatore Di Nolfi/KEYSTONE,美联社)

  12 月 13 日晚上,欧洲核子中心(CREN)大型强子对撞机上的两个探测器研究组, Atlas 和 C.M.S.,共同举行了学术报告会,将他们对今年一年数据的分析结果公之于众。用 “组” 来称呼这两个研究团队确实不太恰当,因为每个 “组” 的人数都不低于 3000 。

  感谢大型强子对撞机以及两个探测器 Atlas 和 C.M.S. 的高性能运转,感谢这两个组的研究人员夜以继日地工作,他们在极短的时间内分析了海量数据中含有的希格斯粒子的信息,终于在圣诞节前获得了可信度较高的希格斯粒子的证据:这个粒子的质量大约是 125 GeV。这里一个 GeV 是 10 亿电子伏特,一个质子的质量大约就是一个 GeV。

  当然,两个组的发言人在宣布这个激动人心结果的同时也警告我们,希格斯粒子还不能说完全被发现了。因为,粒子物理的传统是,一个粒子的发现必须达到 99.99994% 的可信度,才能称得上是发现。用统计学术语来表达,如果假定著名的钟形分布,这个可信度相当于 “发现” 超出误差有 5 个标准误差。据说这个传统是上一次发现新粒子顶夸克后确立的。

  在寻找 “上帝粒子”的过程中扮演了重要作用的 C.M.S. 探测器部分图(Fabrice Coffrini/法新社,盖蒂图片社)

  现在,Atlas 的局部置信度是 3.6 个标准误差, C.M.S. 的局部置信度有 2.6 个标准误差,可信度分别是 99.95% 和 99%。这还没有包括人为的涨落效应。物理学家在做统计时,用一定的能量区间来做直方图,这个做法有时会人为地放大涨落。因此,更可靠的统计分析是整体置信度。如果考虑整体置信度,两个组的结果都不到 3 个标准误差。所以,在物理学家等待了近 40 年后,在 Atlas 和 C.M.S. 研究组成立了 20 年之后(那时大型强子对撞机还没开始建设),上帝粒子仍然犹抱琵琶半遮面。

  欧洲核子中心研究组 Atlas(左)和 C.M.S.(右)的统计结果(数据来自两个探测器研究组)

  粒子物理学家用积分亮度来表示数据量,这相当于单位面积上发生了多少次粒子事件。今年一年的数据到底有多少?用专业术语来说,每个组的积分亮度分别是 5 个飞靶倒数。作个直观的比喻,这大约相当于 2000 米长、100 米宽、 1 米深的一个沙坑中所含沙粒的数目。我们期待 2012 年两个实验组将毋庸置疑地发现上帝粒子,因为明年的积分亮度将是今年的 4 倍。如果上帝粒子的质量真的是 125 Gev,两个组都会获得 5 个标准误差的置信度。

  这一次,希格斯粒子一晃而过,留下了一些痕迹,特别是两个光子事件和四个轻子事件(编辑注:这些都是希格斯粒子存在的话,可能会发生的粒子物理过程)。有位物理学家说,他在 25 年前就建议要重视两个光子事件(希格斯衰变后留下两个光子),而这一次,在 Atlas 和 C.M.S. 分别多花了 3000 万美元建了足够好的光子探测器之后,他的建议真的派上用场了。

  粒子在对撞机里相撞场景的模拟图,由 C.M.S. 研究团队提供(法新社 / 盖蒂图片社)

  理论家觉得一个质量为 125 Gev 的希格斯粒子特别让人兴奋。有几位物理学家分析道,假如没有新的物理原理,没有标准模型之外的新粒子,那么真空就是不稳定的,能量达到 1000 亿 Gev 时,希格斯场将导致灾难。虽然这个能量很高,但考虑到量子力学,只要时间足够长,那么真空总会在某一个地方开始衰变。计算表明,这个等待时间要长于宇宙现在的年龄。看起来,这似乎与我们还活着并不矛盾,但理论上,这是一个不完美的世界,甚至是一个自相矛盾的世界。所以,肯定会有新的物理原理和新粒子将真空稳定下来。也就是说,如果希格斯粒子的质量真的是 125 Gev,标准模型肯定不是粒子物理的最终理论。如果足够幸运,大型强子对撞机将会发现部分新的物理原理。

  现在可以预计的是,大型强子对撞机明年将用一年或大半年时间完全俘获上帝粒子,然后便会将能量加倍。能量加倍的对撞机将会运行若干年,在此期间确定上帝粒子的性质,以及发现新的物理。

  

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channelId 1 1 离找到 “上帝” 只差一步……粒子 1 物理学家在过去的几十年中不仅建立了 粒子物理标准模型 ,还不断在更高的能量和更精确的层次上验证了标准模型。