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【东方早报】欧核中心:“上帝粒子”触手可及
2012-07-05|文章来源:东方早报 李跃群 李雅琦 杜方舒 韩晓蓉 实习生 欧昌梅 |【
 

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   早报记者 李跃群 李雅琦 杜方舒 韩晓蓉 实习生 欧昌梅

  被称作“上帝粒子”的希格斯玻色子(Higgs Boson,希格斯粒子),人类在追寻其将近半个世纪后,已触手可及。

  7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)在其位于日内瓦的总部举行的新闻发布会上,宣布他们已找到一种新亚原子粒子,这种粒子与据信构成质量的“上帝粒子”、即希格斯玻色子的特征“一致”。由此,万物质量来源之谜或可解开,粒子物理学中缺失的重要一环或可填补。

  虽然CERN没有宣称这一粒子就是一直未被证实的“上帝粒子”,但根据实验数据,新粒子有99.9999%置信度保障其就是希格斯玻色子。

  昨日中午,英国著名物理学家霍金对BBC沮丧地说,“看来我丢了100美元,希格斯粒子的发现,有力地证明了粒子物理学中的标准模型。”此前,霍金曾押注100美元,赌“上帝粒子”无法找到。

  粒子物理学标准模型是20世纪物理学取得的最重大成就之一,而希格斯玻色子是整个标准模型的基石,如果希格斯玻色子不存在,则意味着整个标准模型将失效。

  在过去的近半个世纪里,物理学家们预测存在一种粒子,它赋予其他所有物质的质量。这种以英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)名字命名的玻色子,是科学家为了将电磁力和弱相互作用力统一为“弱电相互作用”而引入的。它被认为是粒子物理标准模型里终极的、具有决定性的最后一块拼图。

  这最后一块也是最具决定性意义的拼图能否合上,CERN称,今年年底将公布最终结果。

  “像哥伦布发现新大陆”

  昨日,CERN中一个研究团队的领导者因坎代拉(Joe Incandela)称,新发现的粒子毫无疑问是一种玻色子,也是迄今为止所发现的最重的玻色子。

  因坎代拉在一份声明中说,“这一发现意义非常重大,正是出于这一原因,我们在进行所有研究和交叉检验时必须非常仔细。”

  之所以用“相一致”这样的表述,是因为科学严谨性要求科学家更加精确地证明他们所发现粒子的特征和特性。在把误差缩小至既定范围后,“相一致”才能换成“就是”。

  “在对自然的理解之路上,我们抵达一座里程碑,”欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔说,“作为一个外行人,我会说我们已经发现它(希格斯玻色子)了,但作为一名科学家我不得不问一句,‘我们发现的是什么’。”

  “所以,我只能宣布,我们发现一种玻色子,现在我们正在确认它是怎样的一种玻色子。”

  CERN此次发现的新粒子能量在125至126GeV(吉电子伏特)之间。这意味着该粒子的质量是质子的125至126倍。CERN称,新粒子的质量已经确定,而且在统计学上有极高的确定性。

  CERN研究部主管贝尔托卢奇(Sergio Bertolucci)在一份声明中说,看到这些研究结果,想不兴奋都难。

  “这次的实验结果具有里程碑式的意义。如果最终证明这一新粒子是‘上帝粒子’,就表明标准模型理论是非常完美的,是人类探索认识自然的一大步。”陈国明称。

  现年54岁的陈国明是中国科学院高能物理研究所研究员、博士生导师。其在追寻希格斯粒子的道路上已经前行了近十年,也是CERN中CMS实验项目中国组物理分析负责人。

  对于“上帝粒子”在现代物理学中是如何帮助我们理解世界,陈国明称,“物质是由分子组成,分子由原子组成。原子由外层的电子及原子核组成。原子由质子和中子组成。质子和中子由夸克组成,一个层次一个层次的。我们来理解这个世界就是用强子对撞机来撞击,现在能够看到的最小粒子是夸克;究竟夸克下面还有没有更基本的粒子,还不知道。假如你需要理解一些更小的结构,就需要更高能量的对撞机。对撞机我们已经造到极致了。现在我们还不确定,夸克究竟是个点还是像玻璃球一样,是有大小的。”

  陈国明称,现在所谓的标准模型,就是说夸克是一个标准的点粒子,不可再分的。它是有质量的,这在实验中已经发现了。如果要解释它的质量,就需要假设有希格斯粒子的存在。这个希格斯粒子实际上就是一种对世界如何生成的猜想,不是说它必须要存在。假如夸克以下有更深层次的存在,那就不需要希格斯粒子了;如果它有下一层,那就有下一层粒子的质量和结合能,也就可以解释夸克的质量了。

  而对于结合能,可以举核裂变的例子。核裂变是由一个原子核变成2个小原子核的过程。但是分出来的两个原子核的质量加起来小于原来的,这就是爱因斯坦的质量与能量转化问题。质量的减少是因为释放了能量。回到粒子中来,上一层粒子的质量,是下一层粒子的质量加上释放出来的结合能量的总和。假如夸克有下一层结构的话,就不需要希格斯粒子来提供能量了。

  陈国明称,现在理论认为,在宇宙大爆炸的时候存在希格斯场,产生的夸克与希格斯粒子相互作用,就获得了质量。有了质量后,才可以演变成现在这样的宇宙。这是需要希格斯粒子的。但假如有下一层结构的话,就不需要希格斯粒子了。即使假设夸克没有下一层的结构,也有些理论是可以不用希格斯粒子的。

  还有些理论称,希格斯粒子不止一个,可能有四五个。而到目前为止,标准模型是所有理论中最成功的一个,它的大部分都已被证明是正确的,只有希格斯粒子没有找到。

  Durham University粒子物理现象学研究所的Valentin Khoze教授称,“这个发现是粒子物理学的胜利。如果没有希格斯粒子,其他诸如电子、夸克一类的粒子,将没有质量,宇宙也会面目全非。而今天的发现让我们为希格斯粒子的存在找到了实验性的证据,更重要的是,它为新物理的出现打开了一扇窗户。”

  曼彻斯特大学粒子物理学教授Stefan Soldner-Rembold说,“今天我们见证了一个伟大的发现,它为我们理解宇宙增加特殊的视角,并且让我们更加了解宇宙和基本粒子质量的起源。毫无疑问希格斯粒子存在,我们现在需要做的就是了解它的性质,以及观察它是否按照我们之前理论所预测的那样行动。”

  利物浦大学的Prof.Themis Bowcock则激动地说,对物理学家来说,这就像哥伦布发现新大陆。

  中国30多位科学家参与

  对于这次的实验数据,陈国明称CERN方面是由CMS和ATLAS两个实验组各自进行的。虽然不能说方法是完全不同的,但是实验是完全独立的。

  这次CMS汇报的粒子质量是125.3正负0.6GeV,置信度4.95个标准差;Atlas测得的质量是126Gev,置信度5个标准差。

  “两个实验组之间做出来的结果如此接近,也能看出实验结果有很高的可信度。两个实验组都犯错误,这个概率是非常低的。”陈国明称。

  对于实验中的置信区间,陈国明谨慎地解释道,“三倍的标准差在物理学上可以称为迹象,五倍的标准差,就可被称为observation。但目前我们这个还不能称为discovery,我们只是观察到一个新粒子。”

  就中国人在此次追踪“上帝粒子”中所发挥的作用,陈国明称,在CMS组中,全世界有30多个国家的3000多位科学家参加,中国参与的团队是中科院高能所和北大,总共30多人,在人数中占到了1%的样子。同时还参加了一些物理道的分析。

  “中国小组在区分信号和本底噪音这一关键技术上提供了自己的方法,使得数据分析的灵敏度比之前最好的美国组的方法还提高了3%。”陈国明称。

  美国马里兰大学基础物理研究中心主任、上海交通大学物理系主任季向东称,“越来越接近希格斯粒子,对物理界来说,这既是好消息也是坏消息。一方面,我们发现了一种自旋为0的粒子,这当然是一个伟大的发现。因为在标准模型中,产生质量的机制——希格斯机制需要这种粒子的存在,我们找到了质量起源的方法,这是一个好消息。”

  季向东称,但是从理论家来看,这种起源方法很不漂亮,因为“上帝”可能有更漂亮的办法来产生质量。之所以这么认为,是因为标准模型本身不漂亮,行内人都这么认为。标准模型19个参量,一个美丽的世界,有一两个参量就行了。理论家总需要点研究动力,比如标准模式不够漂亮,或者粒子找不到,是我们研究的源泉。

  “没想到就找到了,我们就这样把‘上帝’的心思猜透了,就不好玩了。我个人是希望它找不到,当然这是一个伟大的成就,只不过我们埋怨‘上帝’没有想得更美一点。”季向东说,“更直白一点,我们希望在这样一个能驱里,有更多新的东西出现,如果找到了希格斯玻色子,这个能驱就已经结束了,没法发现新东西了。其实我们大家都希望‘上帝’把谜底藏得更深一点。”

  研究的下一步

  陈国明认为,目前得到的新粒子虽然不跟希格斯标准模型矛盾,但是还不能说这个就是标准模型中的希克斯粒子,要确认还要研究它的性质,主要的性质跟其他粒子相互作用的强度有多强。

  “这个还有大量的工作要做,也许这些工作还要建立一个新的正负电子对撞机,因为质子对撞机,大家看到问题是本底噪音太高,正负电子对撞机就更加干净,更加容易对粒子的性质进行研究。”陈国明称。

  如果它真的是标准模型的希格斯粒子,接下来仍有众多的问题需要研究,现代物理并未走到尽头。陈国明称,“因为它不能回答什么是暗粒子,暗粒子是我们看不到的。就物质而言,90%以上是暗物质,银河系中90%是暗物质。什么是暗能量,暗能量是73%,暗物质是23%,普通物质是4%,什么是暗能量,这个标准模型也不能回答。研究宇宙的起源,基本的微观世界,还有很长的路要走。”

  复旦大学物理学系特聘教授、原美国犹他大学物理天文系终身教授吴咏时称,CERN下一步研究方向其实已规划好了。作为近期一个重要的任务,希格斯玻色子的发现看来已经取得了比较好的成绩。沿着这个方向,我相信,下一步他们将进一步“改进统计”,积累更多的数据和事例,然后在更多的衰变模式当中寻找希格斯粒子。

  另一方面,CERN的科学家还在寻找标准模型里没有的粒子,比如超对称粒子。如果人类能够发现标准模型里没有的粒子,那将真正是具有改变世界意义的重大突破。标准模型里没有的粒子的发现,将能够完全改变理论物理学家看待自然世界的方式。

  吴咏时称,此外,CERN还在研究一些新的物理现象,如小黑洞、附加维度等。这些现象目前只是理论物理学家的假设和猜测,还不能被发现和证实,这也是CERN和全世界物理学界的一个重要任务之一。

(东方早报,2012年7月5日,A35版)

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