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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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捕捉“上帝粒子”:一场人类智慧的接力赛

2012-11-29 16:26:55


/松园

 

对粒子物理学家们来说,证明希格斯玻色子的存在固然皆大欢喜,证明希格斯玻色子不存在也同样可喜可贺,因为真相的出现就是胜利……

 

“缺席”的玻色子

宇宙大爆炸理论虽然相对合理地解释了有关宇宙起源的种种困惑,但对宇宙中的物质如何演变,恒星和星系如何形成则要仰仗经典力学理论的帮助才能予以回答。当年牛顿看见苹果从树上落下后深受启发,从而发现了万有引力,正是这个万有引力在引导物质聚集成恒星、行星和星系。但物质为什么有引力呢?牛顿回答说,因为物质有质量,它是物质因空间变化而产生的一种效应。但物质为什么有质量呢?牛顿没有进一步解释了。这个问题从此遗留下来,这就是人们至今依然在试图破解的一个科学难题———质量之谜,尽管答案也似乎就在眼前。

古希腊哲学家德谟克利特认为,物质的最小单位是原子,而原子是不可分的,他的这种原子论思想后来被伊壁鸠鲁等人所继承,发展成了近代的科学原子论。但不可分思想并不正确,笛卡尔就否认原子的不可分性。现代物理学揭示的物质结构显示,物质是由分子组成的,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成,而原子核又由质子和中子组成。现在我们知道,质子和中子也并非不可分,它们由更小的粒子———夸克组成。这样一来,由于人类对自然界物质结构认识的日益深入,人们便逐渐认识到,自然界中除了引力外,还有另外三种力,即电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。这三种力是微观现象,并没有像万有引力那样在理论上得到很好的解释,于是理论物理学家们便尝试在人类迄今发现最小粒子的基础上建立一种“标准模型”。有了这个标准模型,人们就有了一个统一的理论来解释这三种力了。

今天,标准模型已经成了粒子物理学的主流理论,它的很多预言已经被证实。标准模型预言了62 种基本粒子的存在,其中的一大类叫“费米子”,它们是组成物质的粒子,另一大类为“玻色子”,它们是传递各种作用力的粒子。打比方说,质子和中子构成原子核,所以它们是费米子;光子传递电磁力,所以属玻色子。这样一来,假若将费米子和玻色子结合起来研究,人们就可以描述微观物质及它们之间力的作用了。

在标准模型中,人们已经找到了多种玻色子,它们是传递电磁力的光子、传递弱核力的W 玻色子及Z 玻色子、传递强核力的8 种胶子,这些玻色子被统称为“规范玻色子”。但“规范玻色子”没有解释物质如何具有了质量,所以标准模型无法最终“修成正果”,因为质量是宇宙形成的关键因素,而现在,赋予基本粒子以质量的玻色子“缺席”了,宇宙的演化就无法解释。

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希格斯的粒子海洋

上世纪60 年代,一位英国科学家不失时机地出现在了科学史的舞台上,他叫彼得·希格斯,他出生于英格兰,1960 年毕业于伦敦国王学院。希格斯在爱丁堡大学任教期间首先对质量问题产生了兴趣。1964 年的一天,散步中的希格斯忽然产生了一个想法:在宇宙大爆炸刚发生的时候,粒子是没有质量的。在这样的宇宙中,粒子只会以光速穿越宇宙,并不能结合起来组成其他物质。但随着宇宙的冷却,一个看不见的能量场形成了。现在,人们把这个能量场称为“希格斯场”。按照希格斯的想法,这个能量场是由一种能吸附基本粒子,阻碍粒子运动并使它们获得质量的粒子构成的。这种粒子是一种不规范的玻色子,人们在今天称之为“希格斯玻色子”。

现在我们可以把希格斯场设想成一个浩瀚的海洋,而希格斯玻色子就是海洋中构成海水的水分子。水对于在水中运动的物体具有阻碍作用,而希格斯场也是这样,由于希格斯玻色子的存在,它对于大部分基本粒子具有阻力,这种阻力使基本粒子不能以光速运动,这种阻力还因基本粒子的不同而在大小上有所不同,所以希格斯玻色子不仅赋予不同的基本粒子以质量,而且那些基本粒子得到的质量也是各不相同的。有些不与其他粒子发生作用的基本粒子就完全没有质量,例如光子不受希格斯场的阻碍,所以光子能毫无阻碍地以光速穿越希格斯场。总之,希格斯认为,从理论上讲,粒子可以没有质量,但宇宙大爆炸发生后不久,希格斯场的出现使粒子在与希格斯玻色子的相互作用中获得了质量,也正是由于希格斯玻色子的这种作用,宇宙才产生了恒星和行星,孕育出了今天的大千世界。

希格斯玻色子解释了宇宙大爆炸发生后,基本粒子如何具有了质量,再聚合成各种其他物质,从而形成我们今天看到的宇宙,所以它解决的是宇宙起源和演化的基本问题。正因为如此,希格斯玻色子后来就有了“上帝粒子”的美称。不过希格斯本人不喜欢这个词,他声称,作为一个无神论者,他不喜欢“上帝”这种称谓,但用他自己的名字命名为“希格斯玻色子”,他也表示反对。

据说,希格斯有了上述想法后,就把这些内容写成论文,投给了美国物理学会的《物理快报》,但却惨遭拒绝。于是他又把论文转投给美国期刊《物理学评论》,这是希格斯有关玻色子设想的第一次公开发表。与此同时,另有5 位科学家也得出了类似的结论。在《物理学评论》上,包括希格斯在内的这6 位科学家分别发表了各自的论文,这些论文现在被认为是该领域具有里程碑意义的文献。

然而希格斯玻色子依然只是一个猜想,要证明这个猜想就必须找到这种粒子。问题是现实世界中,这种奇妙的粒子是否果真存在呢?

征服“核力”

寻找未发现的新粒子,除了可在宇宙中去寻找外,还有一个更妙的办法,那就是用两种微观粒子相撞,或者用微观粒子去撞击其他的物质的方法去寻找。1919 年,英国物理学家卢瑟福用α 粒子轰击氮核,从氮核中打出了一种粒子,并测定了它的电荷与质量,这就是质子。1932 年,另一位英国物理学家查德威克用放射性元素铍的射线轰击氮、氩元素的原子核。查德威克由此发现,铍发出的射线不是γ 射线,而是一种质量与质子相近,但却不带电荷的中性粒子,这就是中子。

质子和中子的发现使人们认识到,了解物质的微观结构,可以用把物质尽可能地打碎,使物质的微观结构发生最大限度变化的方法来了解物质的基本性质。这一认识促使了粒子加速器的出现,它的作用就是产生高速粒子,从而改变原子核,以便人们探索物质内部的奥秘。为了达到这一目的,粒子加速器需要克服原子核内部的“核力”,这是一种强相互作用力,能把粒子束缚得很紧。克服这种力需要巨大的能量。因而,随着人类对物质世界探索的日益深入,粒子加速器的规模也就越来越大,能量也会越来越高,但即使如此,它仍不能满足研究的需要,粒子加速器依然在不断改进。

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欧洲核子研究中心的大型强子对撞机就是在这种背景下兴建的,它是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器,也是人类迄今制造的最庞大的机器。为了建造这架机器,从构想到建成,人类用了20 年时间,耗资100 亿美元,无数科学家为这项人类最伟大的科学工程付出了辛勤的汗水。

大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区100米深的地下,它内部的圆形隧道有27 千米长,是供质子加速的,堪称地球上最长的“跑道”。当其中的超导磁铁把质子加速到接近光速时,质子就在“跑道”中相撞,由此产生的超级高温环境酷似宇宙大爆炸,释放出大量能量和基本粒子,冷却后再形成质子和中子。

简单地说,制造大型强子对撞机的目的就是在地球上还原一个微型的宇宙大爆炸的场景。当宇宙大爆炸的环境在对撞机中形成后,科学家们便能从中研究宇宙起源和演化的许多问题,验证当代物理学领域中的各种理论和猜想,例如寻找看不见的暗物质和暗能量,寻找由电荷相反的基本粒子组成的反物质,验证高次元空间是否存在等等。当然,寻找神奇的质量之源———希格斯玻色子自然也成为其中的一项重要内容。

粒子物理学的“继往开来”

在欧洲核子研究中心,运行大型强子对撞机寻找希格斯玻色子的科学家从事着两个独立的实验,分别是在超导环场探测器和“紧凑型缪子线圈”探测设备上所进行的实验。2008 8 月,大型强子对撞机开始运行。科学家们预测,如果希格斯玻色子真的存在,人们应该从加速器的数据上读出来。然而那种数据并没有出现,这让人十分困惑,寻找希格斯玻色子的工作一开始并不顺利。

2011 7 22 日,超导环场探测器和“紧凑型缪子线圈”探测设备再次以接近光速的速度撞击了超过180万亿个质子,两个小组都声称发现了疑似的希格斯玻色子。然而不到一个月,欧洲核子研究中心也宣布说,一些迹象表明,这种粒子也许真的不存在,于是失望的情绪再次袭来。如果希格斯玻色子真的不存在,那么科学家们就要重新审视标准模型,并将目光转向物理学研究的新方向。

但科学家们并没有放弃,同时决定在2012 年以更高的能量运行大型强子对撞机,他们认为提高能量也许有助于找到希格斯玻色子。2012 7 4 日,好消息终于传来,欧洲核子研究中心宣布他们发现了一种新粒子,其行为方式和标准模型中的希格斯玻色子相似。他们找到了吗?

假若真的产生了希格斯玻色子,它应当是不稳定的,会迅速衰变,即变为更加稳定、质量更小的粒子。科学家们需要对这些衰变产物进行分析,同时从被撞击后的粒子碎片中寻找疑似的希格斯玻色子的踪迹。初步的实验结果显示,科学家们可能发现了一种质量和希格斯玻色子相当接近的新粒子,但是否就是希格斯玻色子,还得做进一步研究才能断定。

总之,似乎曙光已显现,胜利已在望了。早在十几年前,当美国费米实验室宣布他们发现了顶夸克时,人们已经准备在迎接粒子物理学标准模型的最后胜利了,因为顶夸克的发现意味着标准模型预言的62 个基本粒子中61 个已经得到实验数据的支持与验证,人类对物质微观结构的探索眼看就要赢得一场完美的胜利了。

然而这最后一个粒子———希格斯玻色子的缺席使一场欢庆胜利的聚会迟迟不能开场,并且一直拖延到今天。“标准模型”这幢粒子物理学的宏伟大厦也由于缺少这最后一块基石而显得岌岌可危。因为如果证明希格斯玻色子并不存在,那么整座标准模型的“大厦”就要推倒重建。事实上,为了寻找这种猜想中的粒子,人类已艰难探索了几十年,投入的资金也不计其数。

不过人们早已知道,在探索真理的道路上,从来就是布满荆棘。对粒子物理学家们来说,证明希格斯玻色子的存在固然皆大欢喜,证明希格斯玻色子不存在也同样可喜可贺,因为真相的出现就是胜利。

现在,欧洲核子研究中心传来的消息似乎表明,粒子物理学标准模型的科学大厦就要竣工了,这是人类探索精神挑战物质世界的伟大胜利。但即使如此,也并不表示人类已经解开了粒子物理学的所有谜题,而仅仅是一个继往开来新时代的开始。接下来,科学家们将要面临更多的难题,例如,弄清暗物质和暗能量的结构,寻找反物质、反宇宙等等。人类探索未知世界的脚步是永远也不会停息的。



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