邵樂韻

存在，還是不存在，縈繞在科學家心頭將近半個世紀的“上帝粒子”懸疑或許今年年內(nèi)就能揭曉答案。

“到了年底，根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)，我們將能判斷希格斯玻色子是否存在，或者‘標準模型是否正確?！比鹗课锢韺W家彼得·詹尼（Peter Jenni）博士曾經(jīng)擔任歐洲核子研究中心ATLAS國際實驗合作組的發(fā)言人，日前應(yīng)瑞士聯(lián)邦政府駐華科技文化中心之邀來中國作巡回講座。

他告訴《新民周刊》記者，“不管得到哪一種結(jié)果，都將是重要的發(fā)現(xiàn)。如果目前的信號確實是希格斯玻色子發(fā)出的，那么接下來會越發(fā)明顯。一旦找到了它，現(xiàn)在使用的物理教材就要重寫，這對人類認識自身所在的環(huán)境具有重要意義?！?/p>

詹尼所說的希格斯玻色子（Higgs Boson），就是俗稱的“上帝粒子”，也被稱為粒子物理學經(jīng)典理論大廈的“最后一塊基石”。只要證實了這種粒子的存在，就能解釋物質(zhì)如何擁有質(zhì)量，宇宙大爆炸起源論也能自圓其說。

正埋頭于粒子撞擊試驗和海量數(shù)據(jù)分析的科學家相信，他們距離證明希格斯玻色子的存在只剩一步之遙。

“在逃”的上帝粒子

在以大爆炸為前提的宇宙標準模型中，137億年前宇宙誕生之初產(chǎn)生了多種構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子，一類是費米子（包括夸克和輕子），一類是玻色子（如光子、介子等）。但是，所有粒子開始時都沒有質(zhì)量，它們是如何聚合成各種其他物質(zhì)，從而形成我們現(xiàn)在所生活的世界的？

20世紀60年代，英國科學家彼得·希格斯提出“希格斯場假設(shè)”：希格斯場由希格斯玻色子組成，雖然它產(chǎn)生后就迅速衰變，但就在這“曇花一現(xiàn)”之間，通過希格斯場的其他粒子發(fā)生了關(guān)鍵變化——擁有了質(zhì)量！正是因為希格斯玻色子，才使恒星、行星、生物的形成成為可能；換而言之，若沒有它，大千世界將處于原始混沌，宇宙也只是縹緲之物。這就是為何希格斯玻色子會被稱為“上帝粒子”。物理學家們還認為，宇宙中的暗物質(zhì)或許就是由希格斯玻色子構(gòu)成的。

標準模型預(yù)言了62種基本粒子，幾十年來，其他基本粒子均已在實驗中得到證實，只剩下希格斯玻色子依舊“在逃”。

詹尼介紹說，2000年以前，歐洲核子研究中心里尋找希格斯玻色子的“主力”是歐洲大型正負電子對撞機（LEP），但在當年11月，在經(jīng)過了11年正常運行和3個月延期運行之后，LEP宣布壽終正寢。歐洲核子研究中心并非唯一的“尋寶者”。在位于美國伊利諾伊州的費米實驗室里，有一臺叫Tevatron的萬億電子伏特粒子加速器，從1987年開始運行，直到去年9月被關(guān)閉，目前科學家們正在奮力消化那些對撞試驗產(chǎn)生的海量信息，打撈那枚希格斯“小針頭”。

數(shù)據(jù)積累是費米實驗室的優(yōu)勢所在，與此同時，歐洲同行們則在提高設(shè)備的能級水平，讓質(zhì)子有足夠的力量相撞，縮小對希格斯玻色子的搜索范圍。

2008年9月10日，歐洲核子研究中心首次啟動了代表世界最高水平的粒子加速器——大型強子對撞機（LHC），其設(shè)計對撞能量可達14萬億電子伏特（TeV）。這個大家伙位于日內(nèi)瓦附近的瑞士和法國交界處，主要部分安置在一個周長為27公里的環(huán)形隧道中，兩束質(zhì)子從它“體內(nèi)”反向發(fā)射，經(jīng)過層層加速后在加速器的四個交叉點發(fā)生高能對撞，以此模擬宇宙大爆炸之后不到1秒時間內(nèi)發(fā)生的情況。

交叉點有6個探測器，用以記錄和測量粒子碰撞后的結(jié)果。其中比較顯著的是4個探測器，分別是ATLAS——尋找新物理規(guī)律以及希格斯粒子和粒子質(zhì)量的起源；CMS——尋找希格斯粒子的同時，探尋暗物質(zhì)的跡象；ALICE——研究夸克-膠子等離子體；LHCb——研究為什么宇宙中存在物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱。

逼近真相

雖然迄今LHC走走停停了好幾次，但其運行能級在不斷提高。今年4月5日，歐洲核子研究中心宣布，于3月重啟的LHC創(chuàng)造了新的世界紀錄：兩束各為4萬億電子伏的質(zhì)子束，在位于地下100—150米處的隧道內(nèi)發(fā)生高能對撞，產(chǎn)生的質(zhì)子束總能量從之前的7萬億電子伏增加到了8萬億電子伏！這意味著，可能產(chǎn)生的希格斯玻色子數(shù)量將大大增加。

但是，隨之而來的背景噪聲干擾和希格斯玻色子信號混淆的可能性也大大增多。因此，LHC還需要更充裕的時間才能搜集足夠多的數(shù)據(jù)?！皩ふ蚁８袼共Ｉ又皇侵饕蝿?wù)之一，其他目的還包括尋找超對稱粒子、夸克的次級結(jié)構(gòu)等。我們剛剛進入LHC運行的第三年，而這個項目是要持續(xù)20年的！”詹尼說，LHC將于今年11月停止運行，然后技術(shù)停機20個月，2014年下半年重新啟動，實現(xiàn)質(zhì)子束流加速至最高設(shè)計能量。

其實過去幾年，媒體上出現(xiàn)過幾波發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”存在信號的報道，雖然都很微弱，卻有步步逼近的趨勢。今年3月，費米實驗室的物理學家稱，根據(jù)過去數(shù)年積累的數(shù)據(jù)分析，他們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子可能存在的信號：其質(zhì)量在大約125千兆電子伏范圍附近——這一位置也恰好是理論計算中認為希格斯玻色子應(yīng)當具備的能量范圍。

重要的是，過去費米實驗室和歐洲核子研究中心的數(shù)據(jù)總是不一致，而這一回，他們的結(jié)果與歐洲科學家去年12月發(fā)現(xiàn)峰值的區(qū)域大致相似?？茖W家們樂觀認為，勝利曙光就在眼前。

萬一“上帝粒子”不存在怎么辦？詹尼說，不能因此就認為LHC的實驗失敗了，證實或排除上帝粒子的存在，任一結(jié)果都將是激動人心的?！叭绻系哿Ｗ硬淮嬖冢瑯藴誓Ｐ椭f就要被打破，重新解釋宇宙的產(chǎn)生。要是捕捉到了‘上帝粒子，那么標準模型假說中懸而未解的部分就能被揭開面紗?！?/p>

成立于1954年的歐洲核子研究中心最初由12個歐洲國家發(fā)起，如今已有20個成員國，以及眾多合作伙伴。研究項目的經(jīng)費由成員國及基金會支付?！斑@是全球性的項目，確實耗費巨大，但你要看到，這筆錢支持著1萬多名來自世界各地的物理研究人員的工作?！备鶕?jù)詹尼提供的歐洲核子研究中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有95人來自中國大陸，67人來自中國臺灣地區(qū)。與ATLAS實驗項目有合作的中方伙伴包括中科院高能物理研究所、南京大學、山東大學及中國科學技術(shù)大學。

2009年，根據(jù)美國小說家丹·布朗小說改編的電影《天使與魔鬼》勾起了大眾對LHC和反物質(zhì)的好奇心。電影中，藏在歐洲核子研究中心機密實驗室的反物質(zhì)被偷竊，如果不能及時找到，反物質(zhì)裝置爆炸，整個梵蒂岡就有灰飛煙滅的危險……

現(xiàn)實生活中，也曾有人懷疑LHC是否會制造出一個黑洞引發(fā)地球毀滅。雖然歐洲核子研究中心確實在2010年首次捕獲了反物質(zhì)，但實驗室的工作沒有那么“好萊塢”，科學家們所做的只是模擬一個微觀世界，從中一窺宇宙奧秘，其能量與宇宙大爆炸的真實情景也遠不可相提并論。

不管怎樣，2012年對于粒子物理學家們而言將是一個令人興奮的年份。

彼得·詹尼博士

1948年出生于瑞士，1973年獲伯爾尼大學物理學碩士學位，1976年獲瑞士聯(lián)邦工學院博士學位。1980年他就職于歐洲核能研究組織，并參與質(zhì)子同步加速器對撞機UA2實驗（參與發(fā)現(xiàn)噴注和W/Z玻色子的研究）。

1984年他對大型強子對撞機產(chǎn)生了濃厚的興趣，并擔任了大量的管理工作和合作事宜。1995年，彼得·詹尼當選為ATLAS國際實驗合作組的發(fā)言人，直至2009年卸任。ATLAS現(xiàn)有3000多位科學家，他們來自38個國家的174個研究機構(gòu)。