发现“上帝粒子”

云凡

今年7月4日，位于日内瓦的欧洲原子核能中心向全世界宣布，找到一种新亚原子粒子，这种粒子与之前预言构成质量的“上帝粒子”即希格斯玻色子特征一致。对于物理学家来说，这次发现就像“哥伦布发现美洲大陆”。

“上帝粒子”为什么是质量之源？

物质有质量，这是众所周知的事实。问题是，物质为什么有质量？这个问题牵扯到粒子物理学。科学家认为，自然界中物体之间的相互作用可划分为4种力：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。在爱因斯坦相对论解决了引力问题后，人们开始尝试建立统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。为此，科学家建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，该理论把基本粒子分成3大类：夸克、轻子和玻色子。但这个标准模型有个缺陷：无法解释物质质量来源等问题。

为了修补这一理论的缺陷，1964年，英国爱丁堡大学物理学家希格斯提出“希格斯场”的存在，并进而预言希格斯玻色子的存在。希格斯理论提出，在宇宙诞生的最初，并没有希格斯玻色子（也称希格斯粒子）的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子诞生，形成了“希格斯场”。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。如果没有希格斯粒子，其他的基本粒子就会仍然以光速运行，不能聚合在一起，我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，根本不能组成物质，生命也无从谈起。所以，希格斯玻色子又被称为“上帝粒子”。

可是就是这样一个叫人匪夷所思的模型，它的更神奇之处在于，基于这个理论的很多预言居然被一个又一个激动人心的实验证实了。1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，“标准模型”所预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去“标准模型”马上就要获得决定性的胜利，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子。

寻找“上帝粒子”的欧洲强子对撞机

为了寻找希格斯粒子，美国费米实验室的万亿电子伏特加速器运行了26年，期间发现了新粒子“顶夸克”，也逐渐逼近了希格斯粒子的“活动范围”，但希格斯粒子仍难觅踪影。为什么寻找希格斯粒子这么难？原因其实也很简单：一个困难是，它极不稳定，如果确实存在，它将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。 其次，科学家认为，“上帝粒子”的质量非常大，因此需要能量足够大的对撞机把它撞出来。欧洲核子研究中心1994年开始设计兴建欧洲大型强子对撞机。2008年欧洲大型强子对撞机正式建成。

位于欧洲原子核能中心的大型强子对撞机是世界上最大的实验装置，它深埋在法国和瑞士的地下100米处，周长27千米。从外观上看，强子对撞机就像个巨大的管道，它发射出质子，使其以接近光速的速度撞击，从而得到撞击时释放出的电子、光子、夸克，以及偶尔撞出的希格斯粒子。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子，希格斯粒子就有可能产生在其中。由于希格斯粒子很容易衰变成其他粒子，这些粒子又会进一步衰变成别的粒子，使得寻找希格斯粒子耗时耗力。

欧洲强子对撞机的建成和投入使用，已经使科学家们获得了足够的信心：由于它所达到的能量已经足够大，因此这将是一个判决性实验——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。

然而通过强子对撞机产生上帝粒子并没有那么容易——每1万亿次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。更加困难的是，这种粒子一旦产生就转瞬即逝，因此要想捕捉到它需要进行足够次数的相撞，并进行海量数据分析。欧洲强子对撞机自2010年开始高能量运作之后，两个探测器都屡次观测到了希格斯粒子存在的迹象。经过了足够多次数的观测，欧洲原子核能中心最终确信自己已经找到了“上帝粒子”。两座各自独立的实验室都发现了这种亚原子粒子，质量范围在125吉电子伏特至126吉电子伏特之间。两家实验室都宣布，数据结果的统计确定性为5西格玛，或5标准差。5西格玛，换算成统计误差率，大约为0.00006%。在粒子物理学界，若要证实某一发现，数据统计确定性需要达到5标准差；若要作为证据，统计确定性必须达到3标准差。所以现在说是“接近发现”。

发现“上帝粒子”只是新的开始

“上帝粒子”的发现是“标准模型”最重要的实验证明。但即便希格斯粒子的终于发现填补上了物理学“标准模型”的最后一块拼图，仍不意味着粒子物理学画上圆满的句号。发现希格斯粒子，只是稳固了既有理论体系的基础，证明了“标准模型”理论的可靠性，而在“标准模型”的基础上，科学家寻求最终的大一统的物理理论，还有很长的路要走。这是因为，物理学“标准模型”本身也并非解释物质世界一切奥秘的“终极理论”。尽管物理学“标准模型”解释了电磁力和强核力之类的基本作用力，但由于引力的作用实在太过微弱，到目前为止，一切试图将引力统一到“标准模型”内的努力都失败了。另外，对于暗能量、中微子质量、物质与反物质不平行等领域，“标准模型”也无能为力。这些将涉及更高层面的统一理论和更高维度、更高能量，甚至弦理论。

在“标准模型”之外，早就有科学家提出了“超对称理论”、“弦理论”等理论，能够解决这些“标准模型”所不能解释的问题。比如对于引力，弦理论解释称，我们只感受到了一小部分引力，引力绝大多数都作用在隐藏的其他维度之中。在对更“大一统”理论的寻求中，希格斯粒子也将起到举足轻重的作用。对希格斯粒子量子属性的研究，可进一步修正“标准模型”的缺陷，对新的理论的提出贡献现实依据。研究表明，我们目前所认知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物质占了23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。而希格斯粒子既可能与“标准模型”中的基本粒子相互作用，也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物质。这在近期天文物理学研究领域里，是很重要的论题。发现了“上帝粒子”将打开宇宙另外96％的新层面。

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欧洲强子对撞机的主要任务

欧洲强子对撞机的主要任务是揭开以下五大科学之谜。

1.牛顿未完成的工作——什么是质量？

质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其他一些粒子却没有这种“待遇”？对于这个问题，最有可能的解释似乎可以在希格斯粒子身上找到。目前，科学家终于看到了它的庐山真面目。

2. 96%的宇宙由什么构成？

我们在宇宙中看到的一切——从小蚂蚁到巨大的星系——都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的部分由暗物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。

3.为什么找不到反物质？

我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们现在生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生的兄弟呢？

4.“大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？

构成宇宙万物的物质来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子是由原子核及绕核运转的电子组成的。而原子核是由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其他粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克-胶子等离子体”。 科学家将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。

5.空间的额外维度真的存在吗？

根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维时空。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到，它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。

【责任编辑】蒲 晖