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杨金民:话说上帝粒子
2012-07-12  【 】【打印】【关闭

  欧洲核子研究中心CERN于7月4日举行了震惊世界的新闻发布会,宣布其大型质子对撞机LHC实验发现了一个质量大约为125 GeV的新粒子(置信度是99.9999%),这个粒子很像是被誉为上帝粒子的黑格斯(Higgs)。LHC对撞机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,这一人类历史上最高能量的对撞机的主要目标就是寻找上帝粒子--黑格斯。上帝粒子之所以取名为黑格斯,是因为它是英国科学家皮特.黑格斯(Peter Higgs)于1964年提出的(与他差不多同时提出黑格斯这一机制的还有其他几个人,一旦黑格斯粒子的存在最后被确认,他们将分享诺贝尔物理奖)。

  寻找黑格斯的工作早在上一世纪九十年代的LEP对撞机上就开始了,LEP似乎看到了黑格斯的小尾巴, 可惜LEP对撞机由于要让位于LHC的修建而过早的关闭了,从此便与黑格斯擦肩而过(现在看来,LEP的能量再提升一点就有能力看到黑格斯了)。接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机,这一领世界风骚近二十年的对撞机也对黑格斯进行了大力追捕,也模模糊糊看到了黑格斯的娇容,可惜这一对撞机正值壮年就被关闭了(被关闭的原因是在能量和亮度两方面都竞争不过欧洲人的LHC对撞机)。其实在LHC建造之前美国人已经开始建造超级超导对撞机SSC,按照设计它将是真正的巨无霸对撞机,其能量比LHC还要高3倍,目标也是寻找黑格斯。可惜的是,SSC由于花费惊人(吞噬金钱的无底洞)而被美国国会终止了,已经挖好的地洞被填平了(很多第三世界国家的人为此叹息,这些花巨资挖的地道可以作防空洞或者作地道战用啊!)。但是,欧洲人并没有因此而停顿建造LHC的步伐,欧共体成员国共同出钱如期完成了LHC工程(世界上其他强国和大国,包括中国,也不同程度地出了钱)。由于LHC涉及到几十个国家和几百个大学,它的发言人Heuer在7月4日的发布会做最后总结时说LHC是全球的力量全球的成功!

  这样看来,为了寻找黑格斯粒子所花费的金钱、时间和精力在科学史上是没有前例的。这个粒子究竟是何方神圣?它有那么重要吗?为什么非要找到它呢?

  黑格斯确实很重要,它被誉为上帝粒子是当之无愧的。黑格斯粒子似乎扮演着上帝的角色,又好像是上帝派往人间拯救宇宙的美丽天使:组成大千世界所有物质(包括我们人类)的基本砖块的质量都是由黑格斯给的,若没有黑格斯,整个宇宙都还将是没有质量的缥缈之物,大千世界将处于原始的混沌之中。可以想象一个无质量的无形无色的鬼影世界是多么的单调和可怕!

  谈到组成物质世界的基本砖块,我们都知道从远古时代人类就开始琢磨这个问题,比如曾经认为世界是由“水、火、土、气”组成。到了近代才知道“水、火、土、气”并不基本,它们是由原子组成的,后来发现原子也不基本,而是可穿透的球,其内部有一些电荷在舞动,这表明原子有内部结构,是由更小的砖块组成的,这更小的砖块就是带正电的原子核和围绕它舞动的带负电的电子。今天人们发现原子核也不基本,是由带正电的质子和不带电的中子组成,而质子和中子是由更小的粒子“夸克”(两种夸克,分别叫做上夸克和下夸克,英文名字分别为u和d)组成。到目前为止,还没有发现夸克和电子有内部结构,因此被认为是组成物质世界的基本砖块(这和物质是无限可分的哲学思想不符合)。图1是原子的图像(注意:中心的原子核极小极小,原子内部体积的99.999…%是空的)。

图1:原子的图像

  由此知道,组成我们物质世界只需要两种夸克(u夸克和d夸克)和电子(e),但是后来发现这两种夸克还有堂兄弟(‘二门’堂兄弟是c夸克和s夸克; ‘三门’堂兄弟是t夸克和b夸克),电子也有堂兄弟(分别为m轻子和t轻子),人们不理解为什么上帝如此创造世界,为何要重复创造三个家庭的基本粒子呢?另外,除了基本砖块的物质粒子,还有传递力的基本粒子(大家最熟悉的是光子,它传递电磁作用)。物质世界的基本粒子大家庭如图2所示。 

图2:组成物质世界的基本粒子大家庭,其中有夸克(Quarks)、轻子(Leptons)、传递力的粒子(Force particles)和负责给质量的上帝粒子黑格斯(Higgs)

  描述这些粒子之间相互作用的理论叫作标准模型,标准模型是上世纪六十年代由格拉肖(Glashow)、温伯格(Weinberg)和萨拉姆(Salam)建立起来的,其基础是具有规范不变性的杨-米尔斯规范场论(其中的杨就是杨振宁教授)。标准模型的另一基本特点是宇称破缺,宇称破缺是上世纪五十年代由李政道和杨振宁教授提出的。但是,规范不变性要求所有的粒子都没有质量,要使得粒子有质量,规范不变性必须自发破缺,于是皮特.黑格斯等人提出了用黑格斯机制去实现自发破缺并由此预言存在一个黑格斯粒子。这近似神话般的机制简单而优美,检验这一破缺机制是基本粒子物理的首要任务,从而也是LHC对撞机的首要目标。  

  我们注意到在基本粒子大家庭中有我们不熟悉的一些面孔,它们是三个带电轻子(e, m和t)的孪生兄弟, 分别取名电子中微子、m中微子和t中微子(英文名字分别叫ne , nm, nt), 这些中微子‘身轻如燕’,其体重还不到电子质量的百万分之一,它们逍遥洒脱,与别的粒子只有很弱的作用,它们基本上以光的速度在宇宙中逍遥穿行,几公里厚的铅版也休想拦住它们的通道。正因为中微子的这种极强的穿透力,遥远的天体里发生的反应所产生的中微子可以直达我们的地球,向我们传达信息、诉说遥远的天体里所发生的故事,比如,太阳发来的中微子告诉我们太阳的发光机理,超新星发来的中微子告知我们超新星的爆发机制,还有宇宙婴儿时期所留下的背景中微子可以告诉我们早期宇宙所发生的故事。由于中微子对洞察宇宙的重要性,人们建造了大型的探测中微子的‘望远镜’。目前世界上对中微子的研究如火如荼,中国走在了世界的前列,探测大亚湾核反应堆所释放的中微子的实验取得了成功。

  基本粒子大家庭中的黑格斯最为神秘,它给世界带来质量,但踪迹难觅。由于黑格斯粒子本身比较重而且不带电不带色,它在对撞机上比较难以寻倪。和它差不多一样重的顶夸克(t-夸克),由于带色而参与激烈的色作用早已经被美国费米实验室的Tevatron对撞机给发现了。黑格斯的特点之一是:它与别的粒子进行相互作用的强度正比于相应粒子的质量,越重的粒子就越容易感觉到它的存在,也就是它更喜欢跟肥重的粒子打交道(避轻就重)。

  另外还有一种基本粒子不属于可见的物质世界,它叫暗物质粒子,它除了像黑格斯粒子那样不带色不带电之外,它还是宇宙中真正的逍遥客,它像聊斋美女一样时刻云游于我们周围,但却无影无踪,我们根本就看不到感觉不到它的存在。要感知它的存在,必须有专门的实验设备,LHC对撞机的使命之一就是产生出并探知这种神秘的暗物质粒子。  

  再回到我们的上帝粒子黑格斯。它如此伟大和光荣,那么它现在在哪儿?存在于我们的身边吗?其实别说我们身边,就是整个宇宙中也早就没有了它的踪影。黑格斯粒子只是在宇宙创生之初昙花一现,它在完成使命(给其它粒子赋予质量)之后马上就香消玉勋了。其实我们的宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸,当初那个爆炸的耀眼的火球内充斥着大量的黑格斯粒子,后来当太阳和地球形成的时候黑格斯早就衰变掉了,太阳和地球没有看到过黑格斯,只有宇宙老人在他还是婴儿的时候见到过黑格斯。

  那怎样才能看到黑格斯呢?既然我们的现实世界中已经没有了它,要想看到它,就必须使它重生,重新产生出黑格斯的工厂就是高能对撞机。由于黑格斯太肥胖(相当于金原子那么重),能量低的对撞机(比如我国的正负电子对撞机BEPC和欧洲的大型正负电子对撞机LEP)就没有能力把它产生出来。美国的Tevatron对撞机可以把它产生出来,但要看到它甚是困难,它躲在那灯火阑珊处,若影若现,急煞美国人也(美国人在Tevatron对撞机上寻找了它二十年,终于没看到它的真面目)。最后的胜利还是归于了欧洲人,LHC已经基本发现了它,这将载入世界科学史册和人类文明史册。

  黑格斯的发现有什么科学意义?伴随黑格斯而来的还有其它新粒子吗? 137亿年之前与黑格斯同宫共舞的应该还有很多伙伴,其中有个大家族就是超对称粒子(它们也早已衰变掉了,也只有在对撞机上才能再现身)。理论上的原因是:如果存在基本的黑格斯粒子,那么标准模型就显得很蹩脚,超对称理论就应该存在(超对称是费米子和玻色子之间的对称性,预言每个粒子都有其超对称伙伴,叫作超粒子),只有在超对称理论的天堂内黑格斯粒子才存在得自然、安逸、和谐,离开超对称,黑格斯粒子的质量就稳定不了,它会像匹脱缰的野马随着能标的跑动而狂奔不止。而由于所有粒子的质量都是由黑格斯给的,那么所有其它粒子也都会随着黑格斯变重而变重,这样就不会有氢原子,也就不会有生命,丰富多彩的大千世界就会变成一片死寂的混沌。标准模型驯服不了黑格斯这匹野马,只有超对称才能驾驭它,其原因是在标准模型中猖獗的量子效应主导了黑格斯粒子的质量而使得其烦躁不安,超对称以其优美的对称性压制住了量子效应这股噪音从而稳定住了黑格斯粒子的质量。另外,超对称除了预言大量的超粒子之外,还预言黑格斯粒子有好几个兄弟姐妹,他们一起组成一个快乐的黑格斯小家庭。LHC下一步的目标就是寻找超对称预言的这些新粒子,图3是超对称预言的粒子大家庭。

图3:超对称预言的粒子大家庭,左边一半全部被发现,右边一半正在寻找之中

  黑格斯的发现为我们理解这个世界指明了方向,说明我们的主流理论(标准模型-超对称-大统一)可能是正确的,从而鼓舞着人们沿着这一主流方向继续探索;同时宣告了所有那些预言不存在黑格斯粒子的理论模型的死亡。正像LHC的发言人R. D. Heuer 在7月4日的发布会所说,黑格斯粒子的发现是个里程碑,但仅仅是个开始!实验学家将继续测量黑格斯的性质并探索发现新的粒子(尤其是超对称粒子),理论学家将深入研究与黑格斯有关的理论特别是超对称理论,并以超对称理论为桥梁最后建立一个成功的大统一终极理论。

  黑格斯的发现震惊了世界,它再次彰显了人类的高超智慧,起源于宇宙尘土的人类凭着自己的血肉大脑竟然一步步摸透了上帝创造世界的玄机,妙哉。

——《北京日报》特约科普(7月11日第17版面)

 

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