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上帝粒子背后的故事:获奖者功在临门一脚
上帝粒子背后的故事:获奖者功在临门一脚
www.dicp.cn    发布时间:2013-10-16 15:08    栏目类别:科普图文
比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(左)、英国理论物理学家彼得·希格斯(右)资料图。
比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(左)、英国理论物理学家彼得·希格斯(右)资料图。
 
质子与质子碰撞痕迹演示图。
质子与质子碰撞痕迹演示图。

  杨金民

  新闻背景

  上周,比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒、英国理论物理学家彼得·希格斯因成功预测希格斯玻色子(又称“上帝粒子”)而获得2013年诺贝尔物理学奖,这被普遍认为是一个众望所归的决定。

  希格斯粒子的发现,使得粒子物理标准模型所预言的所有粒子全部被实验发现。那么,理论物理是不是从此无事可做?然而,在物理学家的眼睛里,希格斯的发现被广泛认为是冰山一角,希格斯背后还会隐藏着更大的秘密……

  获奖者功在临门一脚

  教科书中一直在用希格斯机制和希格斯粒子,这里都用了希格斯先生的名字。其实,这一机制是由1964年发表的两篇文章独立提出的,一篇是彼得·希格斯先生的大作(其实很短,才一页半!),另一篇是弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布罗特的大作,但希格斯先生明确提出存在一个物理的标量粒子,这个粒子后来就因此被命名为希格斯粒子。

  希格斯粒子于2012年7月4日,在位于日内瓦的欧洲核子研究中心的大型质子对撞机LHC上被发现,从理论的提出到实验验证整整用了48年的时间。虽然当年的诺贝尔物理奖,很多人期待授予与“上帝粒子”有关的发现,但毕竟因为时间太短来不及而落空。

  好在,仅仅过了一年,这个奖项众望所归地落在了希格斯和恩格勒的头上。幸运的是,49年过去了,他们尽管都已是80多岁的老人,但他们都还活着。不幸的是,另一位作者,比利时物理学家罗伯特·布罗特没能等到这一天就撒手人寰,否则,他也会是当然的诺奖获得者。

  我们应该知道的是,在这三个人之前,其实还有几位英雄对希格斯机制的创立做出了不可磨灭的贡献:

  南部是第一个把超导中的自发破缺(希格斯机制的出发点)引入到基本粒子物理领域的人,时间大约是1960年,但是他没有把自发破缺同规范理论相结合(只有把自发破缺同规范理论相结合才能导出希格斯机制);

  哥德斯通受南部的启发首次引入标量场(1961年),证明标量场的势可以导致自发破缺并产生无质量的标量粒子(后来称为哥德斯通粒子),但是哥德斯通也没有进一步把标量场的自发破缺同规范理论相结合;

  朱利安·施温格于1962年想到了有质量的矢量粒子可能与无质量的标量粒子有关,但没有去证明;

  安德森受施温格的启发,于1963年在非相对论情况下发现无质量的标量粒子可以被无质量的规范玻色子吃掉而导致有质量的规范玻色子,这其实就是希格斯机制,但是它是非相对论的。

  最后,在安德森的工作基础上,希格斯、恩格勒和布罗特建立了相对论情况下的希格斯机制。

  由此可知,诺贝尔奖获得者也是站立在众人的肩膀上才取得成功的,那些堆积如山的“垃圾文章”是他们通向成功的阶梯。这就像是足球比赛,没有队友的配合和协助,就不会有临门一脚的成功者。

  实验物理学家原本功不可没

  理论物理学家的研究固然重要,然而,如果没有实验物理学家几十年的艰苦工作,就不可能证实希格斯粒子的存在,理论物理学家获诺奖也就无从谈起。

  希格斯粒子虽然在宇宙创生之初甚是活跃并大显身手,但是它极其短命,在完成使命之后马上就涅槃了,目前的宇宙之中已经没有了它的踪迹。要想看到它就必须使它重生,而重生它的摇篮就是高能对撞机。

  在对撞机上寻找希格斯粒子的工作始于上世纪90年代的LEP对撞机,LEP因能量低那么一点而与希格斯粒子擦肩而过;接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机,它对希格斯粒子进行了长达二十年的寻找,模模糊糊看到了希格斯的形象,但雾里看花终隔一层。

  美国人曾经于上世纪末建造超级超导对撞机SSC(其能量比LHC还要高3倍)以寻找希格斯粒子,后来由于SSC花费惊人而被美国国会终止。

  发现希格斯粒子的欧洲核子研究中心的LHC实验,是人类历史上投资最大的科学研究机器(造价高达100亿美元),其中两个实验组CMS和Atlas分别独立寻找希格斯粒子,每个实验组有3000多名来自全世界几十个国家几百所大学的科学家(中国的实验科学家也参与其中),这数千名顶尖的实验科学家费尽心力寻找到了希格斯粒子。他们寻找希格斯粒子的过程艰难曲折:LHC对撞机把质子加速至极高能量(其速度接近光速),然后让质子迎头相撞,质子撞碎毁灭而成为一团能量,从这团能量中重生出宇宙大爆炸之初的各种粒子,其中就包含希格斯粒子,但是由于希格斯粒子所占的个数比例极小(小于百亿分之一),实验学家要从灰烬中筛出希格斯粒子就像沙漠淘金一样艰难。他们终于成功了,在极大的可信度上确立了这个发现(不对的可能性小于千万分之一)。

  但可惜的是,这些做实验的人员没有得到诺贝尔奖。诺贝尔奖鼓励的是个人英雄主义,只奖个人不奖团体,在数千参与寻找希格斯粒子的实验学家中很难找到几个主要贡献者(同样的故事发生在上世纪末的美国费米实验室,当时找到顶夸克的两个实验组CDF和D0也是规模十分庞大的群体,很难找到主要贡献者,至今没有获得诺贝尔奖)。

  揭开的只是冰山一角

  希格斯粒子的发现完善了粒子物理标准模型,至此这一模型所预言的所有粒子全部被实验发现了。这一发现表明质量起源的理论(希格斯机制)是正确的,为理论的进一步发展指明了方向。在质量起源方面一直有两类理论,一类是预言存在希格斯粒子的希格斯机制,另一类是预言不存在希格斯粒子的理论,希格斯粒子的发现表明自然界选择了第一类理论。

  希格斯粒子的发现并不意味着高能物理的终结,反而可能预示着高能物理又一黄金时代的到来。希格斯的发现广泛被认为是冰山一角,希格斯背后还会隐藏着天大的秘密,原因是希格斯在标准模型中存在得很不自然,这种不自然的程度就像是地球上的人用一杆枪去瞄准月球上的一只兔子,或者在光滑的镜面上竖起一根很尖的针,希格斯粒子只有在新物理(特别是超对称理论)的天堂内才存在得自然、安逸、和谐。

  如果希格斯后面存在新物理超对称,那么超对称除了预言大量的超粒子之外,还预言希格斯粒子有好几个兄弟姐妹,他们一起组成一个快乐和谐的希格斯小家庭,这个家庭的成员在宇宙创生之初是那么的活灵活现,后来在大千世界形成时它们都死亡殆尽了。那一大群超粒子也是一样的纷纷夭折,只剩下一个最轻的超粒子至今逍遥于宇宙,它组成了宇宙中的暗物质,稳定着宇宙的架构。

  LHC对撞机下一步的目标就是寻找超对称预言的这些新粒子。同时,新的对撞机也在世界范围内进行筹划(日本甚是积极,已经把下一代对撞机的地址初步选择在其东北地区),我国也在积极推动一个中国希格斯工厂和超级质子对撞机,相信这也是实现中华民族伟大复兴中国梦的一部分!

  (作者为中国科学院理论物理研究所研究员)

  延伸阅读

  希格斯机制和希格斯粒子

  希格斯机制其实就是质量产生机制,如果没有这一机制,物质世界的基本组分(电子、夸克)都没有质量,那样的话,大千世界就是没有质量的缥缈之物而处于原始的混沌之中。

  137亿年前宇宙创生之初的那个火球内的所有粒子都处在希格斯场内,它们受到希格斯场的粘滞作用从而得到质量。传递弱作用的规范玻色子也是这样得到质量的——无质量的规范玻色子与希格斯场相遇,它吃掉了无质量的希格斯场分量(无质量的希格斯场叫作哥德斯通粒子)从而得到质量,这时还剩下一个有质量的希格斯场分量,这个分量叫作希格斯粒子。

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