《科学大众》
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“上帝粒子”趣事多
2013-02-14 00:35:48□文/ 侯立顺
欧洲核子研究中心公布来自大型强子对撞器(LHC)的重要数据显示，发现了疑似有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子。玻色子是一种比原子还小的粒子。在137亿年前的宇宙大爆炸中，希格斯玻色子使物质得到质量(万有引力则将质量变成重量)，使恒星和行星都得以诞生，最终孕育生命。人类距离了解宇宙诞生之谜或将迈进一大步。
从爱因斯坦到霍金
我们知道， 纷繁复杂的大千世界全靠4种基本作用力 来“管理”： 万有引力、电磁力、强核力、弱核力。前两种力是长程力，它们的作用范围理论上可以达到无限远；而后两种力都是短程力，一旦跨出原子核，就变得微乎其微了。但是，20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦却认为宇宙本质上只有一种基本作用力，这4种力应该可以统一成一种，因为他坚信自然是最简单的。爱因斯坦的“大统一”还没有实现，他就离开了人世。
1964年，英国爱丁堡大学物理学家希格斯提出了希格斯场的概念。1967年，物理学家萨拉姆和温伯格把希格斯机制应用到弱核力研究中，提出弱核力的传递粒子起初像光子一样是没质量的，后来才通过希格斯机制获得质量。这样，电磁力和弱核力完成了统一。在统一了电磁力和弱核力后，又经过数代物理学家的努力，一个可以解释强核力、弱核力和电磁力的理论体系终于搭建起来了。这是粒子物理学迄今最完美的理论体系，一般称之为“标准模型”。 希格斯场既然是一种场，那么也应该有其相应的传递粒子，这就是希格斯玻色子。
希格斯本人对于这个以他的名字命名的粒子的存在是充满信心的，但大名鼎鼎的英国物理学家霍金却坚持认为希格斯粒子不存在。许多理论物理学家试图不用希格斯玻色子来解释目前已知的粒子和它们的质量，但他们都没有得到一个合理的模型，所以大部分学者还是接受希格斯玻色子这个假设。而霍金等一些科学家则支持超弦理论，这种理论能把包括引力在内的自然界全部4种基本作用力统一起来，这是标准模型和超对称理论做不到的，但超弦理论中并没有希格斯粒子的位置。正因为这些，霍金才会出100美元跟人打赌说希格斯粒子并不存在。
因祸得福的一次退稿
1964年，希格斯写了两篇论文，探讨了今天所说的希格斯场问题。学术期刊刊登了第一篇论文，但是把第二篇论文退回了。他的同行看了第二篇论文后， 建议希格斯增加一段。希格斯于是在论文里添加了一段，探讨如今大名鼎鼎的希格斯玻色子的存在性问题。预言宇宙中存在一种场，就像海洋中的波浪，能够产生新的粒子。然后，他把新修改的论文再次投给学术期刊，终于得以发表。他所预言的新的粒子，就是后来大名鼎鼎的“上帝粒子”——希格斯玻色子。那是希格斯有关玻色子的设想第一次公开发表。不过，这篇在接下来的半个世纪中对大型强子对撞机实验影响深远的文章其实并不长，甚至占不满刊物的两页纸。
为什么叫玻色子呢？玻色是20世纪20年代与爱因斯坦合作的一位物理学家。玻色从来没有获得博士学位，也没有获得诺贝尔奖，但他对玻色子的研究获得了物理学界的承认。微观粒子分为两类：玻色子和费米子，希格斯玻色子属于玻色子。两个属性相同的玻色子可以在同一时间出现在同一地点，而两个费米子是不行的。比如，光子是玻色子，许多光子可以组成狭窄的激光束，一起向前冲；而电子是费米子，不同的电子在原子核外要占据不同的电子轨道，彼此要保持一定的距离。
跨越两国的物理实验室
尽管我们仍然认为科学发现可以由一位天才在自家地下室的实验室里独力完成，但事实上，要想发现“上帝粒子”并不便宜，需要超乎想象的巨大能量。这是因为，为了要发现希格斯玻色子，你需要将两束质子流加速到接近光速。驱动这些探测器所需的电力供应是惊人的120兆瓦，这几乎相当于邻近的瑞士城市日内瓦的所有家庭用电的总和。
为了将两束质子流加速到接近光速，欧洲核子研究中心的科学家们使用了大型强子对撞机设备（LHC）。欧洲大型强子对撞机是人类历史以来建造的最大、最复杂的机器，周长为27千米，跨越瑞士和法国两国的边界。它能把质子加速到接近光速，让其运动质量达到静止质量的7 000倍。
大型强子对撞机的建造近10年时间，耗资大约47.5亿美元。其后每年所需的经费约为2.86亿美元。事实上每年仅电费消耗就达2 350万美元。要维持大型强子对撞机设备的正常运转，每年的预算开支至少达10亿美元。为了找到希格斯玻色子，人们一共为此花费了约132.5亿美元。
LHC是一台埋设在法国-瑞士边境地区地下的环形装置，长度约16.8英里(约合27千米)，埋设深度约330英尺(约100米)。整个对撞系统装备有9 300块磁铁，并被冷却至-271.25℃。这样的条件让大型强子对撞机有能力将质子流加速到光速的99.99%。这些质子流会经过6台不同的探测器，这些探测器会进行不同的实验。
让瑞典诺贝尔委员会很头疼
我们知道，物体由分子、原子构成，原子由质子、中子组成的原子核和绕核旋转的电子构成。而质子和中子都由夸克和胶子组成，夸克、胶子和电子等至今为止没有发现有更深层次的结构，因此被称为基本粒子。希格斯认为，在137亿年前的宇宙大爆炸过程中，形成一种无形却到处存在的场，希格斯玻色子就存在于这个场内。当有些粒子在与希格斯玻色子遭遇时，它们会降低速度，获得质量，而另一些粒子则会不受阻碍地继续前进。简单地讲，有了希格斯玻色子，基本粒子才有质量，有了质量才产生引力，才会有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。
在物理学标准模型的62种基本粒子中，其他61种都已被实验证实了存在，只有希格斯玻色子仍然悬而未决，它的难以捉摸也让研究者多了几分敬畏。如果它们就存在于我们身边的话，为什么这么多年都捕获不到它们的踪迹？实际上，每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯玻色子。更麻烦的是，这种粒子一旦产生，十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。由于它难以寻觅又极为重要，因此也被学术界称为“上帝粒子”。
其实，早在2000年，欧洲的大型正负电子对撞机发现了有趣的现象，有些东西看起来非常像希格斯玻色子，基本符合理论预测的范围。此后的对撞机观测发现了更多的证据，可能当时希格斯玻色子已经现身了。可惜由于当时这个对撞机要关闭，为给后来的大型强子对撞机腾地方，观测没有继续进行下去。
目前，至少有十几个理论物理学家都对希格斯场的理论有贡献。在2010年，美国物理学会曾经授予了1964年发表相关论文的6位科学家以奖项。很多科学家都对希格斯场的理论有贡献，这会让瑞典的诺贝尔委员会很头疼，毕竟，诺贝尔物理学奖一次最多只能颁给3位健在的学者。如果希格斯玻色子的发现真的获奖了，该给哪些人颁奖呢?
