中国科学报年终特稿:揭开上帝粒子的面纱

2019-11-19 21:57 来源:未知
中国科学报年终特稿:揭开上帝粒子的面纱
访陈国明研究员:“上帝粒子”新发现背后的谜团

世界最大对撞机LHC或揭物质世界组成之谜

编者按▲▲在具体学科领域,每年都有一些最前沿的研究方向让全球科学家趋之若鹜。前瞻这些研究,不仅有助于让中国科学紧扣世界科学发展脉搏,同时能让公众提前感知、了解这些前沿探索将如何改变我们的未来。本报将向读者回顾、介绍2014年最前沿的研究进展以及中国科学家所作的努力。

7月初,欧洲核子研究中心宣布发现了一种新粒子,其特征与号称“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合,引起了学界的轰动和社会的关注。但在新闻背后,感兴趣的读者或许会还冒出了不少问号:“上帝粒子”真是物理学家都梦寐以求的“圣杯”吗?它是否就隐藏在我们身边?为什么物理学大师霍金不相信它的存在?这次会不会又是一个类似“中微子超光速”的乌龙……带着这些疑问,科技日报记者采访了中国科学院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员陈国明。“上帝粒子”并非一切物质的质量之源,而且只存在于宇宙大爆炸初期,科学家是要在实验室里“复活”它科技日报:希格斯粒子为什么让物理学家如此关注?陈国明:希格斯玻色子又称希格斯粒子,将它称为“上帝粒子”,是因为它是基本粒子的质量之源。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。简单地讲,有了希格斯粒子,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。科技日报:今天宇宙中一切物质的质量是否都来自希格斯粒子,“上帝粒子”的称号是否名副其实?陈国明:“上帝粒子”只是个通俗说法,不能说希格斯粒子给一切物质赋予了质量。按照物理学标准模型,物质的质量来自两部分,一部分是夸克、电子等基本粒子的质量;另一部分则是基本粒子相互作用产生的结合能,这部分占的比重其实还要更大。另外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,只有希格斯粒子这关键一环仍然悬而未决,它的难以捉摸也让研究者多了几分敬畏。科技日报:希格斯粒子为什么这样难找?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?陈国明:根据物理学标准模型和大爆炸理论,我们的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸刚发生时,无数的正反粒子同时产生,轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子凝聚成物质,通过长时间的演化形成了星系。而希格斯粒子的使命,在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了。现在物理学家要再次寻获希格斯粒子的踪迹,就只有建造能量强大的对撞机,在里面给两束高能粒子进行加速、对撞,来模拟宇宙开始的时刻,在实验室里重新“复活”希格斯粒子。然而每1012次的质子对撞,才可能产生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中,有一颗是金沙,需要找出来。更麻烦的是,这种粒子一旦产生就转瞬即逝,十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。科学家只能通过观测这些粒子,反推它们会不会是希格斯粒子产生后又衰变出来的。虽然时间仓促,但此次实验结果可信度足够高,而要确认“上帝粒子”现身可能还需继续投入巨资科技日报:作为迄今最大、最昂贵的物理科研装置,大型强子对撞机就是为了寻找希格斯粒子吗?为什么要造这么大的对撞机?陈国明:LHC位于瑞士与法国交界处,加速器轨道总长27公里,投资30.68亿瑞士法郎,设计能量达14万亿电子伏。LHC设有4个对撞点——ATLAS、ALICE、CMS和LHCb,均有中国资金和学者的参与。其中两个主要实验ATLAS和CMS的目标,就是寻找希格斯粒子和其他新的物理现象。对撞机的基本原理,是通过消耗大量能源给粒子加速,再让两束具有巨大动能的粒子对撞。能量越高,粒子相互轰击时发生的作用就越大,越容易产生希格斯粒子。此前费米实验室的Tevatron(万亿电子伏特加速器)和欧洲的电子对撞机从上世纪80年代开始运行,一直没找到希格斯粒子,后来发现就是因为能量太低。因此LHC从一开始就寄托着寻找希格斯粒子的最后希望。科技日报:去年CERN格兰萨索实验室过早公布未经验证的“中微子超光速”错误结论,引起了学界的一些批评。这次CERN和费米实验室如此“高调”地公布发现新粒子,是否也有追求轰动效应,甚至说在欧债危机下争取公众支持、争取科研经费的考虑?陈国明:此次所用的数据截止到今年6月中旬,而6月底就要完成数据处理,得出结论。这次公布结果,可以说在时间上确实很赶,很紧张,主要原因是为了在7月7日在澳大利亚开幕的世界物理学大会之前发布,在会上迎接全球同行的审议。另一方面恐怕也有争取公众支持的因素。但与无心得出“中微子超光速”结论的OPERA项目不同,LHC的主要目的就是为了寻找希格斯粒子,自从2010年3月开始运转以来也取得了这一阶段所需的数据,而数据积累越多,实验灵敏度就越高,越有可能做出发现。应该说今年收获结果不算晚也不能算早,在预期时间之内。此外,每个实验都从两个独立衰变到找到这个新粒子,而每个衰变道都有多个独立的研究小组得到一致的结果、CMS和ATLAS两个实验都取得了一致的研究结果,2012年的结果也与2011年的一致,加上确定性水平达到5西格玛(在统计学上为“真”的比率是99.99994%),出现“乌龙”的可能性应该说还是很小的。至于美国费米实验室公布的结果,在灵敏度和价值上要低于LHC,而且他们的Teratron加速器去年底已经关闭了,这次是对以前数据重新分析。科技日报:目前CERN也尚未确认这次发现的新粒子就是希格斯粒子,您认为要真正确认“上帝粒子”已经找到,还需要做哪些工作?陈国明:虽然这次发现新粒子的一些特征,比如产率、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合,但现在统计性太少,还不能确定这个新粒子的各种特性,因此这次也可能发现的是另一种新粒子。以目前取得的数据,要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够,仍然需要更多的实验数据积累。可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机,才能更仔细、准确地验证这个结果。不过要建这个对撞机,耗资会相当于数百亿人民币,跟LHC差不多,需要国际合作来实现。并非所有物质理论模型都给“上帝粒子”留了位置,为了物理学的未来,必须搞清楚它的存在与否科技日报:既然希格斯粒子被称为物理学家梦寐以求、苦苦寻觅的“圣杯”,为什么霍金此前坚持认为希格斯粒子不存在?为什么前几年寻找希格斯粒子的过程中,时常会出现一些怀疑之声?陈国明:其实在物理学界,并不是所有人都相信希格斯粒子必定存在。像我是做实验物理的,此前也确实不完全相信它的存在。但毕竟希格斯粒子的存在与否,事关物理学标准模型的根基。无论相信、反对还是怀疑希格斯粒子的存在,大家都希望尽快把这个问题弄清楚,因此才会投入这么大的项目进行研究。在理论物理学领域,标准模型并不是唯一的金科玉律。其他还有像超对称理论,认为存在多种希格斯粒子,且与标准模型当中的希格斯粒子有很大不同;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。正因为这个,霍金才会出100美元跟人打赌说希格斯粒子并不存在,不过他打输了。科技日报:如果这次能够确认发现了希格斯粒子,将对物理学有哪些意义?陈国明:如果能证实这次发现的就是希格斯粒子,将是里程碑式的成就,使物理学迈出一大步。粒子物理的标准模型之所以能被广泛接受,就是因为这个体系中的其他粒子都已经找到,和宇宙大爆炸也不冲突,证据基础非常扎实。而像超对称理论中预言每种已知的粒子都有一种伴子,但至今一种伴子都没有找到;超弦理论同样也没有证据。如果能确认希格斯粒子确实存在,物理学标准模型作为理论基础将更加坚实,从而推动物理学家探索其他前沿问题。科技日报:当确认发现希格斯粒子之后,粒子物理学还要解释哪些悬而未决的问题?陈国明:即使这次终于发现了希格斯粒子,仍远远不意味着粒子物理学即将画上圆满句号。物理学标准模型不是万能的,像暗物质、暗能量、物质与反物质不对称等问题,它都不能解释。而根据现有理论,我们的宇宙组成中有73%是暗能量,23%是暗物质,只有4%是目前理论所能解释的物质。此外,目前人们认为夸克和轻子是最基本的粒子,它们是否还由更小的粒子组成,是否能组成不同于质子、中子的其他形态,也还需要进一步的研究。科技日报:如果证明希格斯粒子不存在,或者这次发现了一种不符合现有理论的新粒子,是否会像19世纪末催生量子力学和相对论的经典物理学“两朵乌云”(迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验)那样,给现代物理学体系带来革命性的冲击?陈国明:这次发现的结果,并不能完全排除发现的是超对称希格斯粒子或其他的粒子。如果是这样,可能确实会给物理学理论体系造成不亚于类似“两朵乌云”的重大冲击,像媒体说的那样“大厦将倾”。不过,这次发现标准模型预言的希格斯粒子,概率还是很高的。更多阅读美媒称寻找上帝粒子成本约132.5亿美元中国科学家:发现上帝粒子胜过登上月球物理学家发现疑似希格斯粒子

世界是由什么东西组成的?不久以后,史上最大的机械设备、一台名叫大型强子对撞机的机器将为我们回答这个问题。

■本报记者 倪思洁

说起这个话题一般人大概都能想起中学教科书上写过的原子、分子。或许有些人还会想起更专业一些的夸克、胶子。有些物理学家甚至提出过毛子、无子之类的。

如果把一个东西切得越来越小,会发生什么?

这一切都可以上溯至古代希腊。早期的朴素唯物主义哲学家们认为原子是构成天地万物的基本粒子,事实上,东方哲学家们也提出了类似的观点,佛教理论家则认为,万物是“微尘”聚合而成的。

“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”在以庄子为代表的中国古代朴素唯物观中,物质可以被无穷尽地分割。不过,这种观点一直未获实验证明。那么,物质的最小单元究竟是什么?

近代物理学家们终于向我们揭示了这一切的真相。他们发现,如果将两组粒子装进特殊的“大炮”,然后以很高的速度发射出去,使之发生碰撞,很有可能会将一些粒子撞碎,从而获得更为基本的物质组成单位。于是,一系列类似的撞击实验极大拓展了物理学的视野。

为探索这一问题,物理学家提出了粒子物理学的标准模型。这个模型对已知基本粒子进行了分类,并预言了若干新粒子。但在探索这一模型的过程中,物理学家遇到另一个严峻的问题——标准模型中的粒子在理论上都不具有质量,但现实中它们是具有质量的。那么,质量从何而来?

LHC是这些“大炮”中最强大的。它埋藏在法国、瑞士边境的地下。巨大的圆形隧道,周长超过27千米。实验管道将维持在—271℃的极低温。这时会出现奇妙的超导现象,粒子在管道中将几乎不受任何阻力,因此,它们可以以让人惊讶的速度发射出去——那将是光速的99.9999991%。尽管这些粒子的质量非常小,但超高的速度使之带上了巨大能量。一旦它们彼此相互碰撞,将发生剧烈的爆炸。科学家们希望,这样的爆炸能抛出一种名叫希格斯子的基本粒子。此前,科学家们只是通过运算而预言了它的存在,它也是所有已知基本粒子中,惟一尚未被找到的一个了。

于是,关于希格斯粒子的预言出现了。物理学家认为,希格斯粒子赋予这些基本粒子质量。也正因这个特性,希格斯粒子被大众赋予了一个“外号”——“上帝粒子”。

然而,尚未正式“出生”的LHC,命运已然多舛。由于它的工作温度接近“绝对零度”,所以在启动前它必须完成降温工作,并进行相应试运行。但一旦出现问题,就必须又恢复到室温修理。这种反复升温、降温的工作让LHC的启动时间不断推迟。今年5月启动的原计划,已经没有可能了。

2013年10月8日,两位欧洲物理学家——弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因为预测了上帝粒子的存在,被瑞典皇家科学院授予诺贝尔物理学奖。

另一方面,LHC也在公众中引起了一些恐慌。两名美国科学工作者正式起诉了LHC及其主要建设单位。他们认为,LHC可能会制造出黑洞或“奇异粒子”,毁灭地球。

2014年的整整一年里,对上帝粒子的观测已然位列物理研究“热门排行榜”之首。以中科院为主要机构的中国科学家也紧跟这一研究前沿。

不过,在物理学家看来,“LHC毁灭地球”的说法实在是无稽之谈。但他们同样有一些其他的担心。中科院高能物理研究所所长陈和生告诉《新知周刊》,LHC的初衷是找到希格斯子,但是否能找到它,谁也不能打包票。

发现“最后”一个粒子

史上最大强子对撞机今夏启动,有望找到“希格斯粒子”

早期的物理教科书中,原子被认为是物质世界最微小的存在。随后,物理学家发现,原子还能分。

LHC 揭开物质世界最后的秘密

粒子物理学标准模型预言,“基本粒子”才是最小的粒子。1995年,当美国的费米实验室宣布其发现了顶夸克粒子时,组成标准模型的61个基本粒子中,有60个已得到实验验证。

今年夏季,大型强子对撞机将投入使用。这是世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名称为LHC(Large Hadron Collider)。它同时也是人类建造的最大规模机械装置和最大规模的超导设备。

至此,仅一步之遥,预言便能圆满。而最后的那个粒子,就是来无影去无踪、一出现便会迅速衰变成其他粒子的希格斯粒子。关于它的预言,能解释一个困扰科学家许久的问题:粒子的质量到底从何而来?

LHC是个圆形加速器,深埋于地下100米。其环状隧道有27千米长,大得可以将百慕大、摩纳哥或者4个梵蒂冈塞进它所占的区域内。然而,近日来,两位美国科研人员却将LHC的主要研制方欧洲核子研究中心告上法庭,认为LHC产生的黑洞不会消失,或会产生“杀手奇异子”,而两者结果都将导致地球的毁灭。

面对困惑,无数种猜想随之而生。1964年,包括彼得·希格斯在内的3位欧洲物理学家,提出了一个新想法,预言了希格斯粒子的存在。

上世纪50年代起,随着物质微观结构研究前沿从原子核深入到基本粒子,粒子物理逐步形成物理学的一门独立学科。物理学似乎已经回答了物质结构的基本问题,并相当完美。然而,在物理学家看来,粒子物理的终结远未到来。希格斯粒子(Higgs particle)就是标准模型中最关键的粒子,然而遗憾的是,至今尚未发现。

希格斯认为,就像苍蝇被蜜糖黏住一样,在137亿年前的宇宙大爆炸中,其他粒子处在一种由特殊粒子构成的场中,并受其作用而无法以光速穿过宇宙,从而获得质量,结合在一起。这种特殊的粒子比原子小,后来被称为“希格斯粒子”。

有了希格斯粒子,不仅标准模型理论会检验并扩展到完美化,物质质量起源之谜也将会揭开,因为科学家相信这种粒子给其他粒子赋予了质量。

“好比人在水里行走时,水对腿的阻力会让人感觉腿很重。”北京大学物理学院教授冒亚军在接受记者采访时如是形容这种获得质量的感觉。

粒子物理学家一直热切期盼着,能探索难以捉摸的希格斯粒子和暗物质粒子。为此就需要科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜,能让物理学家探索到发生在迄今为止距离最短(小到1纳纳米,即百亿亿分之一米)、能量最高状态下的物理过程。此外,科学家还相信LHC能揭开充斥在宇宙中的暗物质的神秘本质。中国科技大学教授李淼表示,现在物理学家、天文学家都对LHC寄予了厚望,期盼LHC能发现暗物质粒子。“之前哈勃望远镜等太空望远镜也观测到了暗物质,但是太空望远镜与LHC的发现是不同的。”李淼指出,哈勃望远镜只能看到暗物质引力效应,但是通过LHC却有望能真正“看到”暗物质粒子,这使宇宙学研究跃进到一个新的领域。

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