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  7月初,欧洲核子研究中心宣布发现了一种新粒子,其特征与号称“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合,引起了学界的轰动和社会的关注。

  但在新闻背后,感兴趣的读者或许会还冒出了不少问号:“上帝粒子”真是物理学家都梦寐以求的“圣杯”吗?它是否就隐藏在我们身边?为什么物理学大师霍金不相信它的存在?这次会不会又是一个类似“中微子超光速”的乌龙……带着这些疑问,科技日报记者采访了中国科学院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员陈国明。

  “上帝粒子”并非一切物质的质量之源,而且只存在于宇宙大爆炸初期,科学家是要在实验室里“复活”它

  科技日报:希格斯粒子为什么让物理学家如此关注?

  陈国明:希格斯玻色子又称希格斯粒子,将它称为“上帝粒子”,是因为它是基本粒子的质量之源。

  我们知道,物体由分子、原子构成,原子由质子、中子组成的原子核和绕核旋转的电子构成。而质子和中子都由夸克和胶子组成,夸克、胶子和电子等至今为止没有发现有更深层次的结构,因此被称为基本粒子。

  简单地讲,有了希格斯粒子,基本粒子才有质量,有了质量才产生引力,才会有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。

  科技日报:今天宇宙中一切物质的质量是否都来自希格斯粒子,“上帝粒子”的称号是否名副其实?

  陈国明:“上帝粒子”只是个通俗说法,不能说希格斯粒子给一切物质赋予了质量。

  按照物理学标准模型,物质的质量来自两部分,一部分是夸克、电子等基本粒子的质量;另一部分则是基本粒子相互作用产生的结合能,这部分占的比重其实还要更大。

  另外在物理学标准模型的62种基本粒子中,其他61种都已被实验证实了存在,只有希格斯粒子这关键一环仍然悬而未决,它的难以捉摸也让研究者多了几分敬畏。

  科技日报:希格斯粒子为什么这样难找?如果它们就存在于我们身边的话,为什么这么多年都捕获不到它们的踪迹?

  陈国明:根据物理学标准模型和大爆炸理论,我们的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸刚发生时,无数的正反粒子同时产生,轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子凝聚成物质,通过长时间的演化形成了星系。

  而希格斯粒子的使命,在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了。现在物理学家要再次寻获希格斯粒子的踪迹,就只有建造能量强大的对撞机,在里面给两束高能粒子进行加速、对撞,来模拟宇宙开始的时刻,在实验室里重新“复活”希格斯粒子。

  然而每1012次的质子对撞,才可能产生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中,有一颗是金沙,需要找出来。更麻烦的是,这种粒子一旦产生就转瞬即逝,十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。

  科学家只能通过观测这些粒子,反推它们会不会是希格斯粒子产生后又衰变出来的。

  虽然时间仓促,但此次实验结果可信度足够高,而要确认“上帝粒子”现身可能还需继续投入巨资

  科技日报:作为迄今最大、最昂贵的物理科研装置,大型强子对撞机(LHC)就是为了寻找希格斯粒子吗?为什么要造这么大的对撞机?

  陈国明:LHC位于瑞士与法国交界处,加速器轨道总长27公里,投资30.68亿瑞士法郎,设计能量达14万亿电子伏(14TeV)。LHC设有4个对撞点——ATLAS、ALICE、CMS和LHCb,均有中国资金和学者的参与。其中两个主要实验ATLAS(超环面仪器)和CMS(紧凑缪子线圈)的目标,就是寻找希格斯粒子和其他新的物理现象。

  对撞机的基本原理,是通过消耗大量能源给粒子加速,再让两束具有巨大动能的粒子对撞。能量越高,粒子相互轰击时发生的作用就越大,越容易产生希格斯粒子。此前费米实验室的Tevatron(万亿电子伏特加速器)和欧洲的电子对撞机从上世纪80年代开始运行,一直没找到希格斯粒子,后来发现就是因为能量太低。因此LHC从一开始就寄托着寻找希格斯粒子的最后希望。

  科技日报:去年CERN格兰萨索实验室过早公布未经验证的“中微子超光速”错误结论,引起了学界的一些批评。这次CERN和费米实验室如此“高调”地公布发现新粒子,是否也有追求轰动效应,甚至说在欧债危机下争取公众支持、争取科研经费的考虑?

  陈国明:此次所用的数据截止到今年6月中旬,而6月底就要完成数据处理,得出结论。这次公布结果,可以说在时间上确实很赶,很紧张,主要原因是为了在7月7日在澳大利亚开幕的世界物理学大会之前发布,在会上迎接全球同行的审议。另一方面恐怕也有争取公众支持的因素。

  但与无心得出“中微子超光速”结论的OPERA项目不同,LHC的主要目的就是为了寻找希格斯粒子,自从2010年3月开始运转以来也取得了这一阶段所需的数据,而数据积累越多,实验灵敏度就越高,越有可能做出发现。应该说今年收获结果不算晚也不能算早,在预期时间之内。

  此外,每个实验都从两个独立衰变到找到这个新粒子,而每个衰变道都有多个独立的研究小组得到一致的结果、CMS和ATLAS两个实验都取得了一致的研究结果,2012年的结果也与2011年的一致,加上确定性水平达到5西格玛(在统计学上为“真”的比率是99.99994%),出现“乌龙”的可能性应该说还是很小的。

  至于美国费米实验室公布的结果,在灵敏度和价值上要低于LHC,而且他们的Teratron加速器去年底已经关闭了,这次是对以前数据重新分析。

  科技日报:目前CERN也尚未确认这次发现的新粒子就是希格斯粒子,您认为要真正确认“上帝粒子”已经找到,还需要做哪些工作?

  陈国明:虽然这次发现新粒子的一些特征,比如产率(出现几率)、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合,但现在统计性太少,还不能确定这个新粒子的各种特性,因此这次也可能发现的是另一种新粒子。

  以目前取得的数据,要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够,仍然需要更多的实验数据积累。可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机,才能更仔细、准确地验证这个结果。不过要建这个对撞机,耗资会相当于数百亿人民币,跟LHC差不多,需要国际合作来实现。

  并非所有物质理论模型都给“上帝粒子”留了位置,为了物理学的未来,必须搞清楚它的存在与否

  科技日报:既然希格斯粒子被称为物理学家梦寐以求、苦苦寻觅的“圣杯”,为什么霍金此前坚持认为希格斯粒子不存在?为什么前几年寻找希格斯粒子的过程中,时常会出现一些怀疑之声?

  陈国明:其实在物理学界,并不是所有人都相信希格斯粒子必定存在。像我是做实验物理的,此前也确实不完全相信它的存在。但毕竟希格斯粒子的存在与否,事关物理学标准模型的根基。无论相信、反对还是怀疑希格斯粒子的存在,大家都希望尽快把这个问题弄清楚,因此才会投入这么大的项目进行研究。

  在理论物理学领域,标准模型并不是唯一的金科玉律。其他还有像超对称理论,认为存在多种希格斯粒子,且与标准模型当中的希格斯粒子有很大不同;而霍金等一些科学家则支持超弦理论,这种理论能把包括引力在内的自然界全部4种基本作用力统一起来,这是标准模型和超对称理论做不到的;但超弦理论中并没有希格斯粒子的位置。正因为这个,霍金才会出100美元跟人打赌说希格斯粒子并不存在,不过他打输了。

  科技日报:如果这次能够确认发现了希格斯粒子,将对物理学有哪些意义?

  陈国明:如果能证实这次发现的就是希格斯粒子,将是里程碑式的成就,使物理学迈出一大步。

  粒子物理的标准模型之所以能被广泛接受,就是因为这个体系中的其他粒子都已经找到,和宇宙大爆炸也不冲突,证据基础非常扎实。而像超对称理论中预言每种已知的粒子都有一种伴子,但至今一种伴子都没有找到;超弦理论同样也没有证据。如果能确认希格斯粒子确实存在,物理学标准模型作为理论基础将更加坚实,从而推动物理学家探索其他前沿问题。

  科技日报:当确认发现希格斯粒子之后,粒子物理学还要解释哪些悬而未决的问题?

  陈国明:即使这次终于发现了希格斯粒子,仍远远不意味着粒子物理学即将画上圆满句号。物理学标准模型不是万能的,像暗物质、暗能量、物质与反物质不对称等问题,它都不能解释。而根据现有理论,我们的宇宙组成中有73%是暗能量,23%是暗物质,只有4%是目前理论所能解释的物质。

  此外,目前人们认为夸克和轻子是最基本的粒子,它们是否还由更小的粒子组成,是否能组成不同于质子、中子的其他形态,也还需要进一步的研究。

  科技日报:如果证明希格斯粒子不存在,或者这次发现了一种不符合现有理论的新粒子,是否会像19世纪末催生量子力学和相对论的经典物理学“两朵乌云”(迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验)那样,给现代物理学体系带来革命性的冲击?

  陈国明:这次发现的结果,并不能完全排除发现的是超对称希格斯粒子或其他的粒子。如果是这样,可能确实会给物理学理论体系造成不亚于类似“两朵乌云”的重大冲击,像媒体说的那样“大厦将倾”。不过,这次发现标准模型预言的希格斯粒子,概率还是很高的。

  专家简介

  陈国明

  1958年生,浙江天台人,现为中国科学院高能物理研究所研究员。主要研究方向为粒子物理实验,目前参与国际空间站阿尔法磁谱仪(AMS)的反物质和暗物质研究、欧核中心大型强子对撞机的紧凑缪子线圈(CMS)项目。