“上帝粒子”的发现

陈方正

7月4日是个值得纪念的日子，因为这天欧洲核子研究中心（CERN）正式宣布，通过“大强子对撞机”(Large Hadron Collider, LHC)上的两个不同实验，他们可能已经发现了希格斯玻色子(Higgs boson)。那是数十年来物理学家梦寐以求的突破，因为在描述物质最深层结构的“标准模型”（standard model）中，它是赋予其他基本粒子以质量的关键，也是这模型中最后一块拼图板。它的发现倘若能够得到确认，那么这模型的一个奇特构想就会被证实，人类对于物质结构的探索，也将进入新阶段。但大自然探索历来充满意外和惊奇，所以LHC到底会显示些什么，其实仍在未知之数。

“标准模型”的成功

“标准模型”是什么意思呢？这得从物质的三个微观层次说起。大家都知道，可见、可感触的宏观世界，其实是由分子和原子构成，那是第一个微观层次，它的尺度是微米（10-6m）至纳米(10-9m)。其后物理学家又发现，原子是由电子和原子核构成，原子核是由质子和中子构成；电磁波是光子，粒子“衰变”时会产生中微子(neutrino)，与电子对应的，还有所谓“正电子”（positron），等等。这样，他们打开了微观世界的第二个层次，它的尺度是纳米至费米（1F =10-15m），在其中最少有6种粒子。它们所服从的规律，是量子力学和量子场论；它们之间的作用力，有经由光子传递的“电磁作用”，和原子核内部的所谓“强作用”和“弱作用”。对这层次的深刻了解，从上世纪50年代开始导致了大量新工业的发展，和科学各领域的飞跃进步：它彻底改变了世界。

但强作用和弱作用是如何传递，服从什么规律呢？这就牵涉上述粒子本身结构的问题，它困扰了物理学家三四十年。最后，他们终于发现了物质更深一层，也就是第三层微观结构，它的尺度是费米至毫费米（10-18m）。对此结构的理解就是所谓“标准模型”，它是在大量实验结果的基础上，结合前一阶段所发展的量子场论、群论和杨振宁在50年代所提出的规范场理论三者而建构的，大致包含以下要素。

（1）质子和中子合称强子(hadron)，它由称为“夸克”(quark)的基本粒子组成；夸克最少有6种，分别以上(u)、下(d)两“味”(flavor)，和红、绿、蓝三“色”(color)来分辨。

（2）电子和中微子合称轻子（lepton），它本身就是基本粒子。夸克和轻子是构成物质的基本粒子。

（3）傳递基本粒子之间相互作用的，统称“规范场玻色子”(gauge boson)。它们包括两大类：传递“强作用”，也就是把夸克结合成为强子的，是8种“胶子”(gluon)。传递“电磁作用”与“弱作用”（它们合称“电弱作用”）的，是4种介子，即光子和80年代发现的Z、W+、W-粒子。

（4）上述规范场玻色子本来没有质量（这里指静止质量），但由于第五种介子，即希格斯粒子的特殊作用（这称为“希格斯机制”），Z和W+、W-等3种介子获得了巨大质量，它们所传递的弱作用因此成为“短程”，而且在低能量区变得相对微弱，因此好像变得和电磁作用完全不一样了。此外，夸克和轻子的质量（它们的差异极大，最多达到几万倍）很可能也都是通过希格斯机制产生——也就是说，希格斯粒子是一切基本粒子的质量之源。但在目前，这还只是一种想法，一个希望而已。

（5）最后，上述的结构在理论上完整，但实际上并不完全，因为除了以上一组8颗基本粒子（6颗夸克，两颗轻子，反粒子不计）以外，居然还有性质、结构完全相同，但相应质量却更大的两个“复制组”。就轻子而言，这包括mu粒子及其对应中微子，和tau粒子及其对应中微子；就夸克而言，这包括“异(strange)、粲(charm)”和“顶(top)、底(bottom)”这两对，而且它们同样各有“三色”。因此，每个复制组同样有6颗夸克，两颗轻子，但它们都是高度不稳定的（中微子除外）。这样，所谓“基本粒子”的总数就不是1组8颗，而变为3组24颗了。为何它们需要自我“复制”两次？是否还有质量更高，但迄今未曾发现的其他“复制组”？这问题至今还无人能解。

在过去30年间，上述“标准模型”获得了巨大成功：它能够应用少数物理常数，相当准确和全面地解释处于1Gev (109ev，1ev=1.6×10-19焦耳能量) 至1Tev (1012ev) 之间的大量高能粒子现象，例如计算粒子的散射、产生，以及强子的质量、衰变等等，甚至还能说明夸克为何不能够在强子以外独立存在（所谓“幽禁”），但在其内部却又处于自由状态（所谓“渐近自由”）等特殊现象。特别是，70年代发现粲与反粲夸克所形成的J/ψ粒子，80年代发现W和Z介子，1995年发现顶夸克等等，都证实了标准模型根据群论所预先构想的结构，因而轰动一时。

物理学界的严峻问题

顶夸克是在美国费米国家实验室的Tevatron对撞机上发现的。这对撞机的原理是，在圆周6.3公里的超高真空管道中，将质子束和反质子束各加速到1Tev，然后令它们以统共2Tev的能量对撞，并以高速探测器和电子计算机分析所产生的结果。其后，物理学家继续在此机上努力搜索希格斯粒子，但由于它能量不足，粒子束流量不够大，一直没有决定性结果。所以，从将近20年前开始，高能粒子物理学已经逐渐停顿下来，“标准模型”能够解释的现象，就以能量2Tev为上限。

打破这闷局的，是2010年开始运转的CERN大对撞机LHC。它的前身是1989年落成的电子—质子对撞机LEP，后者周长27公里，深入地下100米的圆形隧道为LHC承受，被改用作质子—质子对撞机。此机1998年动工，10年后落成，正式运转以来，初步达到的总能量是8Tev（至终将达到16Tev），也就是美国Tevatron的4倍，而粒子流则是后者的25倍—这些巨大改进，是以造价9倍于后者（美元90亿与10亿之比）得来的。这也就是为何LHC开动仅仅两年之后，就已经初步找到希格斯粒子，测定其质量为125Gev，并且将结果是统计误差所致的可能性减缩到百万分之一以下。

不过，CERN的宣布很谨慎，说要待今秋或者年底才能够正式发表结果。这除了要进一步增加事例以改进统计，和确定质量以外，当还要分析所发现粒子的其他特征，例如自旋、对称性、衰变方式等等，看是否和预期相符。因为目前所发现的，到底是标准模型中单一的希格斯粒子，抑或如另类理论所预言的其他“多重希格斯粒子”之一，那还有待研究。无论如何，只要这发现并非统计上的“误判”，那么即使有意外结果，也只表明“标准模型”和现实有差距而已— 而那正是物理学家热切等待的。因此，LHC可以说是“旗开得胜”，已經证明它的价值了。

不过，这也就引出好些问题来。最明显的是，为何Tevatron能够发现质量更高（175Gev）的顶夸克，却要待LHC才能够找到质量较低（125Gev）的希格斯粒子？答案是，两者在粒子流量上有很大差距，这有点像在黑夜中寻找目标，用手电和用探射灯不可相提并论。更重要的是，虽然两个对撞机都有足够能量产生希格斯粒子，但产生的可能性在8Tev碰撞能量要比在2Tev大得多。这又有点像用特定光谱的探射灯能够激活特殊目标发出荧光一样。

其次，找到了希格斯粒子又如何？这比较难以回答。倘若一切都如标准模型的预料，那么粒子物理学家只好承认，太阳之下再无新事物，他们面临失业了。但这种可能性是不大的，比之Tevatron，LHC的能量极限足足提高了8倍。从经验可知，在这么宽广的新能量区，必然会有大量激动人心的发现。令物理学家忧心忡忡的，反而是短短几年后，这新能量区的所有秘密都将大白于天下，届时何以为继呢？在过去大半个世纪，欧美政府对粒子物理学的支持非常坚定和慷慨，所以每一部前缘加速器、对撞机完成使命之后，必然会有下一代机器“接棒”。但1993年底发生了变故，当时美国政府决定取消造价可能远超百亿美元，能量设计为40Tev的“超导超级对撞机”SSC，那本来是要为LHC接棒的。这样，后者刚刚诞生，就已经面临“绝种”危机了。

这还带来了最后一个问题。第三层微观世界的结构虽然奥妙无穷，但迄今为止，却没有任何可预见的现实意义，它的探索，似乎纯粹在于满足人类好奇心而已。各国政府愿意拨出庞大资源来支持它，无疑和原子与核物理学的巨大力量有密切关系。但现在公众对粒子物理学的信心和耐心退潮了，SSC的夭折就是明确信号。因此，物质深层结构的探索到底是否还有前途，在2020年之前势将成为物理学界不可回避的严峻问题。