“上帝粒子”:揭晓一步之遥

邵乐韵

存在，还是不存在，萦绕在科学家心头将近半个世纪的“上帝粒子”悬疑或许今年年内就能揭晓答案。

“到了年底，根据所掌握的数据，我们将能判断希格斯玻色子是否存在，或者‘标准模型是否正确。”瑞士物理学家彼得·詹尼（Peter Jenni）博士曾经担任欧洲核子研究中心ATLAS国际实验合作组的发言人，日前应瑞士联邦政府驻华科技文化中心之邀来中国作巡回讲座。

他告诉《新民周刊》记者，“不管得到哪一种结果，都将是重要的发现。如果目前的信号确实是希格斯玻色子发出的，那么接下来会越发明显。一旦找到了它，现在使用的物理教材就要重写，这对人类认识自身所在的环境具有重要意义。”

詹尼所说的希格斯玻色子（Higgs Boson），就是俗称的“上帝粒子”，也被称为粒子物理学经典理论大厦的“最后一块基石”。只要证实了这种粒子的存在，就能解释物质如何拥有质量，宇宙大爆炸起源论也能自圆其说。

正埋头于粒子撞击试验和海量数据分析的科学家相信，他们距离证明希格斯玻色子的存在只剩一步之遥。

“在逃”的上帝粒子

在以大爆炸为前提的宇宙标准模型中，137亿年前宇宙诞生之初产生了多种构成物质的基本粒子，一类是费米子（包括夸克和轻子），一类是玻色子（如光子、介子等）。但是，所有粒子开始时都没有质量，它们是如何聚合成各种其他物质，从而形成我们现在所生活的世界的？

20世纪60年代，英国科学家彼得·希格斯提出“希格斯场假设”：希格斯场由希格斯玻色子组成，虽然它产生后就迅速衰变，但就在这“昙花一现”之间，通过希格斯场的其他粒子发生了关键变化——拥有了质量！正是因为希格斯玻色子，才使恒星、行星、生物的形成成为可能；换而言之，若没有它，大千世界将处于原始混沌，宇宙也只是缥缈之物。这就是为何希格斯玻色子会被称为“上帝粒子”。物理学家们还认为，宇宙中的暗物质或许就是由希格斯玻色子构成的。

标准模型预言了62种基本粒子，几十年来，其他基本粒子均已在实验中得到证实，只剩下希格斯玻色子依旧“在逃”。

詹尼介绍说，2000年以前，欧洲核子研究中心里寻找希格斯玻色子的“主力”是欧洲大型正负电子对撞机（LEP），但在当年11月，在经过了11年正常运行和3个月延期运行之后，LEP宣布寿终正寝。欧洲核子研究中心并非唯一的“寻宝者”。在位于美国伊利诺伊州的费米实验室里，有一台叫Tevatron的万亿电子伏特粒子加速器，从1987年开始运行，直到去年9月被关闭，目前科学家们正在奋力消化那些对撞试验产生的海量信息，打捞那枚希格斯“小针头”。

数据积累是费米实验室的优势所在，与此同时，欧洲同行们则在提高设备的能级水平，让质子有足够的力量相撞，缩小对希格斯玻色子的搜索范围。

2008年9月10日，欧洲核子研究中心首次启动了代表世界最高水平的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC），其设计对撞能量可达14万亿电子伏特（TeV）。这个大家伙位于日内瓦附近的瑞士和法国交界处，主要部分安置在一个周长为27公里的环形隧道中，两束质子从它“体内”反向发射，经过层层加速后在加速器的四个交叉点发生高能对撞，以此模拟宇宙大爆炸之后不到1秒时间内发生的情况。

交叉点有6个探测器，用以记录和测量粒子碰撞后的结果。其中比较显著的是4个探测器，分别是ATLAS——寻找新物理规律以及希格斯粒子和粒子质量的起源；CMS——寻找希格斯粒子的同时，探寻暗物质的迹象；ALICE——研究夸克-胶子等离子体；LHCb——研究为什么宇宙中存在物质与反物质的不对称。

逼近真相

虽然迄今LHC走走停停了好几次，但其运行能级在不断提高。今年4月5日，欧洲核子研究中心宣布，于3月重启的LHC创造了新的世界纪录：两束各为4万亿电子伏的质子束，在位于地下100—150米处的隧道内发生高能对撞，产生的质子束总能量从之前的7万亿电子伏增加到了8万亿电子伏！这意味着，可能产生的希格斯玻色子数量将大大增加。

但是，随之而来的背景噪声干扰和希格斯玻色子信号混淆的可能性也大大增多。因此，LHC还需要更充裕的时间才能搜集足够多的数据。“寻找希格斯玻色子只是主要任务之一，其他目的还包括寻找超对称粒子、夸克的次级结构等。我们刚刚进入LHC运行的第三年，而这个项目是要持续20年的！”詹尼说，LHC将于今年11月停止运行，然后技术停机20个月，2014年下半年重新启动，实现质子束流加速至最高设计能量。

其实过去几年，媒体上出现过几波发现“上帝粒子”存在信号的报道，虽然都很微弱，却有步步逼近的趋势。今年3月，费米实验室的物理学家称，根据过去数年积累的数据分析，他们发现了希格斯玻色子可能存在的信号：其质量在大约125千兆电子伏范围附近——这一位置也恰好是理论计算中认为希格斯玻色子应当具备的能量范围。

重要的是，过去费米实验室和欧洲核子研究中心的数据总是不一致，而这一回，他们的结果与欧洲科学家去年12月发现峰值的区域大致相似。科学家们乐观认为，胜利曙光就在眼前。

万一“上帝粒子”不存在怎么办？詹尼说，不能因此就认为LHC的實验失败了，证实或排除上帝粒子的存在，任一结果都将是激动人心的。“如果‘上帝粒子不存在，标准模型之说就要被打破，重新解释宇宙的产生。要是捕捉到了‘上帝粒子，那么标准模型假说中悬而未解的部分就能被揭开面纱。”

成立于1954年的欧洲核子研究中心最初由12个欧洲国家发起，如今已有20个成员国，以及众多合作伙伴。研究项目的经费由成员国及基金会支付。“这是全球性的项目，确实耗费巨大，但你要看到，这笔钱支持着1万多名来自世界各地的物理研究人员的工作。”根据詹尼提供的欧洲核子研究中心统计数据，有95人来自中国大陆，67人来自中国台湾地区。与ATLAS实验项目有合作的中方伙伴包括中科院高能物理研究所、南京大学、山东大学及中国科学技术大学。

2009年，根据美国小说家丹·布朗小说改编的电影《天使与魔鬼》勾起了大众对LHC和反物质的好奇心。电影中，藏在欧洲核子研究中心机密实验室的反物质被偷窃，如果不能及时找到，反物质装置爆炸，整个梵蒂冈就有灰飞烟灭的危险……

现实生活中，也曾有人怀疑LHC是否会制造出一个黑洞引发地球毁灭。虽然欧洲核子研究中心确实在2010年首次捕获了反物质，但实验室的工作没有那么“好莱坞”，科学家们所做的只是模拟一个微观世界，从中一窥宇宙奥秘，其能量与宇宙大爆炸的真实情景也远不可相提并论。

不管怎样，2012年对于粒子物理学家们而言将是一个令人兴奋的年份。

彼得·詹尼博士

1948年出生于瑞士，1973年获伯尔尼大学物理学硕士学位，1976年获瑞士联邦工学院博士学位。1980年他就职于欧洲核能研究组织，并参与质子同步加速器对撞机UA2实验（参与发现喷注和W/Z玻色子的研究）。

1984年他对大型强子对撞机产生了浓厚的兴趣，并担任了大量的管理工作和合作事宜。1995年，彼得·詹尼当选为ATLAS国际实验合作组的发言人，直至2009年卸任。ATLAS现有3000多位科学家，他们来自38个国家的174个研究机构。