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[图文]对撞机疑发现“上帝粒子”希格斯-波色子
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[日期：07-27]
核心提示：物理学界长期以来试图寻找它踪迹的努力皆以失败告终，因此这种行踪诡秘的神秘粒子一直让科学家们为之疯狂。
这是一幅计算机模拟图，显示如果出现一次希格斯事件时，粒子将出现的轨迹模式
　　这幅图显示大型强子对撞机(LHC)紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)仪器的数据是如何证实或排除希格斯粒子在不同能级水平上的存在的。
紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)仪器结构示意图，长21米，宽15米，高15米
ATLAS探测设备示意图，长46米，宽25米，高25米，确实是一台超级庞然大物
　　希格斯-波色子通常又被称为“上帝粒子”，它被认为是万物的“质量之源”，同时也是标准模型中最后一种未被的粒子。物理学界长期以来试图寻找它踪迹的努力皆以失败告终，因此这种行踪诡秘的神秘粒子一直让家们为之疯狂。不过现在，来自欧洲大型强子对撞机(LHC)的数据显示，这种一直以来毫无踪迹的“上帝粒子”可能已经被找到了。
　　当然在此之前一直就有这种说法，说美国芝加哥附近的费米加速器已经找到了希格斯-波色子，尽管这种说法一度平息下去，但是最近几个月又一次出现起伏，甚嚣尘上。
　　而这一次的消息则要靠谱的多：欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)的两台希格斯粒子探测仪器在该设备产生的海量数据中同时记录到了疑似信号。尽管谨慎地说，这一信号目前还未能清晰到足以判定此项，但是这至少意味着这台耗资超过100亿美元，号称是这颗星球上最庞大复杂，同时也是最昂贵的仪器，毕竟正在朝着正确的方向前进。
　　LHC项目ATLAS探测设备设计小组发言人法波拉?托内利(Fabiola Tonelli)告诉英国《卫报》记者说：“我们现在还不能下任何断言，但是毫无疑问的，这非常有趣。”而令人振奋的是，另一台探测设备：紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(Compact Muon Solenoid,CMS)小组也同样报告了探测到疑似信号结果。
　　这两个小组各自独立地于周五在法国召开的欧洲物理学会议上报告了自己的结果，这一会议是物理学界最大型的粒子物理学交流平台之一。ATLAS和CMS小组一直以来都在埋头于LHC对撞设备产生的数以亿万计的数据点阵中，苦苦寻找可能显示希格斯-波色子曾短暂存在的统计学信号。
　　根据此次的最新分析结果，物理学标准模预言的希格斯-波色子类型可能将在大约1400亿电子伏，即140 GeV的能级上出现。
　　考虑到统计学上的严谨性，此次的数据结果还无法支持一项确定的报告。不过无论如何，两台设备得到这样非常类似的疑似信号是非常令人兴奋的。
　　来自美国费米国家实验室的粒子物理学家唐纳德?林肯(Donald Lincoln)同时也是CMS小组成员，他说：“如果你现在去询问任何一位有名望的物理学家，他们也不能告诉你任何更多的消息，他们只会说这非常非常有趣，而我能告诉你的，就是：这确实非常非常有趣。”
　　但是很显然还有很多家对此并不信服。意大利帕多瓦大学的托马索?多里格(Tommaso Dorigo)教授也是CMS小组成员，同时还担任美国费米实验室CDF小组成员。他说他“没有看到任何和希格斯-波色子有关的疑似信号”。几乎和前面所述的相反，他认为此次LHC所使用的能级恰恰给出了理论预言的希格斯粒子最不可能出现的能级。不过大多数物理学家都同意这样一个说法，那就是有关这种神秘粒子究竟是否存在这一终极问题，物理学家们不久之后应当就能给出一个相当明确的答案。
　　如林肯就说：“我讨厌进行具体的预测，但是很显然，考虑到目前的表现和进度，我想希格斯粒子被证实或者被排除的时间应该就会发生在最近几个月或几年内。”
　　寻找希格斯-波色子
　　寻找希格斯-波色子是一项巨大的工程，事实上这也是当初全世界合力建造这台超大型设备的主要初衷。
　　LHC设备位于法国-瑞士边境，它拥有一个长达27公里的地下环形隧道。在这个隧道中，粒子会被加速到接近光速并迎面对撞。撞击的结果会由安装在隧道各处的各种专用探测器捕捉并进行数据分析。
　　这种极高能对撞会产生一些极其罕见的物质，但是它们会瞬间衰变成较为常见的亚原子粒子，但是根据仪器记录到的数据，对这些粒子的分布情况，运动方向和速度等数据进行分析，物理学家们能够揭开一系列困扰人类的最基本问题，如诞生时的状况，暗物质的本质，以及宇宙中可能存在的其它维度。
　　而希格斯-波色子和它附带的希格斯场，则是所有这些困扰人类的“终极问题”中的一个。早在上世纪60年代，英国物理学家彼得?希格斯(Peter Higgs)就和其他家合作，预言了这种神秘粒子的存在，这种粒子被视为是自然界粒子质量的来源。
　　长期以来物理学家一直知道有一些组成物质的粒子具有质量，如夸克和轻子，但是也有一些粒子却没有质量，如光子。那么，究竟是什么决定了这两者的不同？
　　针对这个问题，希格斯和他的同事们提出了一种特殊的场，即希格斯场理论。根据这一理论，存在一种类似磁场的“希格斯场”，它对不同粒子施加不同的影响，从而形成了质量为零和质量非零的不同粒子。
　　在粒子物理学中，场这一概念常常会和携带力的粒子相关联，并被归入“波色子”的范畴。而和希格斯场相互作用的粒子则被称为希格斯-波色子。诺贝尔奖获得者莱恩?林德曼(Leon Lederman)为这种粒子取了一个雅号叫“上帝粒子”。这是因为这种粒子在我们对于的理解中起着核心却微妙的作用。不过希格斯本人和其他很多物理学家痛恨这个名字，因为他们认为这个名字可能会误导或激怒某些人群。
　　如果希格斯-波色子终于被找到，并且并证明其行为方式符合标准模型的预言，那么这将是一个性的时刻，证明我们长久以来对于结构的理解是正确的。但如果希格斯-波色子最终无法找到，或者即使找到，但是其行为不符合标准模型预言，那样的话将更加令人兴奋，因为那样就意味着物理学家们重新面临一个机会，回到一张白纸跟前，重新构思他们有关宇宙最根本运行模式的想法。
　　就现在而言，要预言这样的推倒重来究竟会对界或我们的日常生活产生何种影响还为时过早。但是就在大约100年前，我们的社会便经历过这样的一次颠覆性科学思维革命。当时量子理论和相对论被提出来用以解释一些观察到的，用19世纪的经典物理学无论如何也无法解释的新现象。正是那次的科学革命，改变了我们的世界，带来了从原子弹和核电站，从微波炉到激光器的各种发明。所以说，在现在这个阶段，谁能预言后标准模型时代会是怎样的一幅图景呢？
　　有一点需要指出，那就是希格斯-波色子的过程可不像是发现新大陆那样是一瞬间的狂喜，而是一个漫长而艰辛的过程。海量的数据需要分析，无数的统计学结果需要过滤，以便找出潜在隐藏的信号。
　　林肯形象的解说：“这就像是在一个大雾天行走于人群之中，然后你睁大眼睛，等待你在人海中认出你要找的那个人的脸的那一刻。”这可能就是21世纪物理学新的普遍模式：首先你会注意到一些蛛丝马迹，暗示前方将出现一种有趣的新现象，于是你需要更多的数据来确认自己的发现，最后才是恍然大悟，意识到所有这一切的时候。所以，对于这一似乎预示着曙光的结果，让我们拭目以待。
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希格斯玻色子或许不是最小的粒子
　　升级后的LHC将对希格斯粒子的属性进行深入细致地探测
　　1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在，假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。有些科学家认为，尽管希格斯玻色子很小，但其或许并非最小的粒子，宇宙中可能还存在着其他更小的粒子，是这些粒子组成了玻色子。最近也有研究表明，这些被称为“技夸克（techni-quarks）”的粒子很有可能潜伏在宇宙中。
　　丹麦南丹麦大学的粒子物理学家托马斯·瑞特弗4月2日对美国趣味科学网站表示，要想找到这些组成希格斯玻色子的粒子，我们需要对目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）进行升级或者研制下一代粒子对撞机才行。“经过仔细梳理，我们找出了几个理论，可用来解释希格斯粒子和希格斯机制。”
　　2012年，科学家们在LHC内发现了希格斯玻色子的“踪迹”，这一重大发现也促使研究希格斯理论的希格斯和比利时科学家弗兰西斯·恩格勒摘得2013年诺贝尔物理学奖的桂冠。
　　天然存在的问题
　　即使希格斯这样的基本粒子也有一个未解之谜。
　　科学家们借用这一粒子来解释为什么组成物质的基本粒子（比如夸克和电子等）拥有质量。然而，物理学研究表明，当在量子水平上观察时，真空并非空无一物，而是充满了起伏不定的“虚粒子”，虚粒子对不断产生并快速湮灭。
　　瑞特弗解释道，当希格斯粒子通过真空时，它们应该会同所有的虚粒子相互作用，并在此过程中，让其质量增加到很大值，大约为其在LHC内测量质量的1017，因此，希格斯粒子此时的质量应该能与普朗克质量（约等于2.18×10-8千克）相当。瑞特弗说：“问题在于，为什么希格斯粒子的测量质量比普朗克质量少这么多呢？这真是个问题。”
　　因为这种质量增加没有发生，所以，统辖粒子物理学的支配理论——标准模型需要进行更高程度的精调，才能纠正希格斯粒子的测量质量和更大质量之间的差异。
　　瑞特弗表示，这种精调就是我们所说的固有的问题，这也是物理学家们心头的一根刺，“理论本身并不像我们所希望的那么完美优雅，从理论上来说，要想在最基础的尺度上描述所有物质，我们需要对标准模型进行很多精调。”
　　为了不进行这种精调，而仍然能回答希格斯质量的问题，物理学家们提出对标准模型进行扩展和延伸，其中最著名的就是超对称理论。这一理论认为，标准模型中的每个粒子都存在着一个质量更大的超级对称粒子“超粒子（Sparticle）”。超粒子应该能抵消真空中虚粒子的影响，减少希格斯粒子的质量，从而使标准模型不再需要精调。但迄今为止，科学家们没有发现任何理论上的超对称粒子的“蛛丝马迹”。
　　“技夸克”或成解决问题的关键
　　瑞特弗表示，有不少理论指出，希格斯粒子或许也有组成成分——它由其他更小的名为“技夸克”的粒子组成。瑞特弗说：“如果希格斯粒子由自然界中比其更小的‘砖块’通过一种新的力——艺彩力（technicolor）组成，就像夸克结合在一起形成质子和中子一样，那么，问题就迎刃而解了。”
　　那么，“技夸克”如何解决这个质量问题呢？瑞特弗说，技夸克粒子的自旋为1/2，因此，两个技夸克集合在一起能形成像希格斯粒子这样自旋为零的复合粒子，“研究结果表明，只有将技夸克考虑在内，才不会出现我们上述的质量问题。”
　　其实，自上世纪70年代末，就有人提出了这种涵盖技夸克的想法，最近，科学家们对最初的模型进行了非常重要的梳理和提炼工作。
　　在最新研究中，瑞特弗和同事再一次认为，希格斯粒子必须拥有内部结构，而且，他们也找出了一些理论，“这些理论都很坚定地认为，希格斯粒子确实由某些基本成分组成，这些理论能很好地解决标准模型的精调问题，并让亚原子世界进入和谐状态。”
　　理解暗物质
　　理论物理学家基莫·图奥米宁并没有参与瑞特弗的研究，他接受美国趣味科学网站采访时表示，尽管希格斯粒子的结构仍然成谜，但“技夸克”是一种可能性，未来，我们应该对此进行更深入彻底的研究。
　　当万众瞩目的LHC于2015年再次启动时，它或许能以14TeV（万亿电子伏）的最大对撞能量进行对撞，从而对希格斯粒子的属性进行深入细致地探测。
　　图奥米宁说：“在更高对撞能量下收集到的数据或许能使我们对艺彩模型进行检测，如果我们发现希格斯粒子确实由更基本的粒子组成，这或许表明存在着一种新的基本力，而且，这些理论也将加深和推进我们对于暗物质的理解。”
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希格斯本人十分低调，面对媒体时他不愿直呼那个粒子的学名，而是称之为&以本人命名的玻色子&。
原子这个任性的家伙，似乎想怎么变就怎么变。&&D. H.劳伦斯
物理学家已经有很多年没有像今天这样兴奋了，因为他们发现了一种新的粒子&&很可能就是大名鼎鼎的&上帝粒子&或希格斯玻色子。早在20世纪60年代，这种粒子就已被希格斯和他的同行提出来，直到日，人们才确信在欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上发现了它的踪影。
这是一场48年的漫长等待。像很多做出重大发现的科学家一样，希格斯（Peter Higgs）本以为等待的时间会更长，&那时候我可能已经不在了&。
为什么一个小小粒子让这么多才智不凡的人如此牵肠挂肚？若要说清其中缘由，我们也许得追溯到2600多年前的古希腊。
古希腊的火种
公元前6世纪，在土耳其西海岸的古希腊城邦米利都，人们点燃了第一个理性的火把。他们认为，表面上纷乱如麻的现象背后，其实潜藏着一个简单的秩序。米利都学派创始人泰勒斯提出，万物的本原是水。西西里的恩培多克勒假设，万物的本原是土、气、火、水四种元素。色雷斯的德谟克利特的观点则最接近现代科学的理解：万物的本原是原子和虚空，原子不可分割，绝对的虚空是原子活动的场所。
在之后的岁月里，复杂源于简单的哲学与数学理论、实验技术的发展共同促成了一个又一个重大发现。德谟克利特的原子论经过后人的补充和完善，逐渐成为一个血肉丰满的科学理论。原子的地位如今已被基本粒子取代，原子论的升级版本叫做粒子物理的&标准模型&。
1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的J.J.汤姆逊第一次发现了基本粒子：电子，并于1906年获得了诺贝尔物理学奖。希格斯玻色子是标准模型中最后一个有待发现的基本粒子，它为电子等许多其它基本粒子赋予了质量。CERN的发言人罗尔夫&霍耶尔（Rolf Heuer）说，希格斯玻色子的发现是理解自然之路上的一个里程碑。同时，爱丁堡大学在网站上宣布，他们决定建造一所新的希格斯理论物理研究中心。
基本粒子的里程碑似乎与希格斯有着不解之缘。卡文迪许实验室的创始人是英国理论物理学家麦克斯韦。麦克斯韦1831年在爱丁堡出生，并在爱丁堡大学度过了4年学生生涯。麦克斯韦是&复杂源于简单&思想的集大成者，他将导电的线圈、好玩的磁铁和无处不在的光用同一组优美的数学方程联系起来。后来人们发现，这个方程的量子版本可以描述一种为电磁现象提供中介的基本粒子：光子。而描述电子的数学方程则是1933年诺贝尔奖得主狄拉克（Paul Dirac）在1928年时提出的。一年之后，希格斯出生了。巧合的是，希格斯就读的中学（Cotham School）也是狄拉克的母校，当时的希格斯曾受到这位杰出校友的鼓舞。1997年，希格斯因自己的研究工作获得了狄拉克奖。
理论家希格斯
希格斯是一位理论物理学家，他和实验家的区别在于不用做实验。当实验家和数百人的团队在巨大的实验室里为一根电缆而忙得晕头转向时，几个理论家却可以坐在办公室里喝喝茶，聊聊天，发发呆，然后写写划划。1988年诺贝尔奖得主、实验物理学家莱德曼（Leon Lederman）在《上帝粒子》一书中略带嘲讽地说：&理论家面临的唯一风险是当他们在查找计算错误时用铅笔戳到自己的头。&不过在理论家眼中，最大的风险不是自己提出了错误的假说，而是同行先自己一天提出正确的理论。
在美国物理学会的网站上，有一个庆祝学术期刊《物理评论快报》（PRL）诞生50周年的纪念页面。1964年的栏目下并列出现了3篇论文。它们描述了类似的物理机制，是由6位理论家在先后四个月的时间里分别寄出的。希格斯的寄出时间排在第二，但他的完成时间较早，因此获得了首创权。2010年，这6位发现者共同获得了美国物理学会颁发的&J.J.樱井理论粒子物理学奖&，他们之中还有恩格勒特（F.Englert）、布劳特（R.Brout）、古拉尔尼克（G.Guralnik）、海根（C.R.Hagen）和基博尔（T.Kibble）。　
不过希格斯本人十分低调，面对媒体时他不愿直呼那个粒子的学名，而是称之为&以本人命名的玻色子&。论文发表数年以后，希格斯在一次学术会议上见到了其他几位发现者。他表示当时心里略有不安，因为觉得他们受到了不公正的对待。历史虽然无情，但希格斯称与其他发现者现在的关系很好。只可惜，布劳特已于2011年去世。
就差临门一脚　　
相似的理论之所以会在同一时期出现，是因为当时的条件已经成熟，就差临门一脚。
到20世纪中叶，科学家将当时已知的现实世界也还原成了几十种基本粒子，以及粒子之间4种基本的相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。于是，基本粒子也就分为两大类，一类是电子、中微子、夸克等等，它们是构成世界的基本成分。而光子、规范玻色子和胶子在其中为引力之外的3种相互作用提供中介。
但是，理论和实际的联系出了问题。1954年，理论家杨振宁和米尔斯（Robert Mills）对麦克斯韦方程进行了推广，提出了杨-米尔斯方程。这套方程彰显了理论界的一套普适价值，叫做&规范对称性&，人们相信这套价值会让理论的数学形式变得简洁。然而，普世价值的简单推广却产生了令人尴尬的后果，杨-米尔斯方程描述的基本粒子都没有质量，如果让这样的粒子为相互作用提供中介，普世价值就会要求狄拉克方程描述的电子、夸克都没有质量。这就与实验现象产生了严重对立。
希格斯等人吸取了前人的智慧，在1964年时提出一种新的量子场，叫做希格斯场。理论家认为场是一种比粒子更加简单的概念，不同数量的粒子可以看作同一个场的不同激发态，粒子可以产生和湮灭，场却永远存在。如果希格斯场与那些需要质量的粒子保持密切联系，对称性破缺机制就会在保持规范对称性的同时，让相应的粒子带上质量，而另一些粒子则不受影响。英国物理学家米勒（David Miller）把这套理论比作充满记者的房间。首相一到场就会被围拢起来，导致行动迟缓，因此获得了质量。而无名小辈进入房间则不受阻碍，仍然保持无质量状态。这就是著名的希格斯机制。　　　
霍金赌输了，还有谁
1897年实验家探测电子时，实验装置大都可以摆在桌面上，费用也不会太高。而仅仅过了一个世纪，欧洲核子中心在年间建造的LHC的周长就已达到27千米，预算更是高达75亿欧元（中国科研经费对此亦有贡献）。这是因为量子物理存在一个基本原理：探测的事物越细微，需要的能量就越高。于是，相应的加速器就得造得越大。
因此在最近的半个多世纪中，理论常常走在实验的前面。理论家几分钟就能在黑板上完成的演算，实验家往往需要等待许多年。先是等各种技术条件逐渐成熟，然后游说政府和财团，期待他们慷慨解囊，实验装置逐步建设完成之后，再进行验收、调试和小规模试验，最后才能进入检验理论的大规模实验环节。与此同时，像希格斯这样的理论家也在等待实验的最后一刻。如果老师讲授希格斯机制时发现，下面有几个研究生因为听不懂而昏昏欲睡，就会开一个善意玩笑说：&LHC若发现了希格斯玻色子，希格斯就会获得诺贝尔奖。为了获奖，八十多岁的希格斯老爷子每天都在锻炼身体!&　　
CERN宣布实验结果之后，包括赌输100美元的霍金（Stephen Hawking）在内，许多的理论家都认为希格斯会获得今年的诺贝尔物理学奖，不排除其他几位健在的发现者也会获奖。同样研究理论物理学，霍金的专长是宇宙学，以及广义相对论和量子理论的交叉领域。在此之前霍金曾经跟其他理论家打过4个赌，涉及内容都是自己的研究领域，结果全部赌输。　　
不过，这一次霍金并不是唯一打赌的人。2009年，德国物理爱好者温茨克（A.Unzicker）也下了100美元的赌注。他认为希格斯玻色子不存在，并为此建立了&打赌希格斯&（bet on the higgs）网站。2011年，爱尔兰一家博彩公司也开设了赌局，还为各种情况设置了赔率：如果在2012年发现希格斯玻色子，赔率是4∶1；2013年是5∶1；如果希格斯玻色子的质量低于130GeV，赔率是6∶1。幸运的是，他们都赌输了，某些人可能赔惨了。
老对手的失落
这样的结果令大西洋彼岸的美国科学家内心五味杂陈。因为从1980年代中期起，费米实验室的Tevatron加速器就在试图寻找希格斯粒子，结果一无所获。2011年10月，由于预算不足，这台加速器被迫关闭。　　
更令人遗憾的是，美国科学家本打算从1990年代初开始建造一个周长87千米的超导超大型加速器（SSC），结果在1993年同样是预算原因而被迫放弃，只留下一条24千米长的隧道。&这本该是个在美国做出、并且已经做出的发现&，美国理论家温伯格说，&美国国会选择了放弃，没有为拓展基本知识的边界而做出努力，我们感到很遗憾。&
就在CERN召开发布会的前两天，已关闭的Tevatron加速器的科学家突然宣称，根据他们的最新分析，Tevatron之前的数据中也包含了希格斯玻色子存在的证据。而且，这些证据所分析的是另外的衰变产物，由于能量原因，Tevatron对这些产物的探测比LHC更加灵敏。这自然有横刀夺爱之嫌，并因此遭到安德森的严厉批评：&在这样的时刻宣布这个结果，费米实验室的做法是不公道的。&
有趣的是，CERN选在7月4日这天召开发布会也可能另有隐情。1984年的7月4日，CERN也曾宣称发现了标准模型预言的顶夸克，质量在40GeV左右。但是后来他们又发现自己的分析存在错误，包括费米实验室在内的后续实验逐步否定了这个结果，并最终把顶夸克的质量定在了173GeV。
还有很多余地
希格斯玻色子的发现是科学奥德赛旅程中的又一个里程碑。但理论家和实验家的工作还远远没有结束。2004年诺贝尔物理学奖得主维尔切克（Frank Wilczek）说：&到目前为止，所有结果都与最简单、最经济的标准模型版本相符，没有任何奇特事物的迹象。但事情还有很多余地，还有未知的领域有待探索。&
&满足于希格斯玻色子的发现，并不能为如何超越标准模型寻找线索。&温伯格的看法则更加悲观：&如果这是今后几十年中唯一的发现，前途就会非常暗淡。&　　
&复杂源于简单&的理想远没有成为现实。标准模型需要20个输入参数，在理论家看来还不够简洁。强力和电弱力还没有纳入更简单的统一框架，更不用说困扰人们多年的万有引力。已知的基本粒子和相互作用只能描述已知宇宙4%的物质，而剩下96%的物质是不可言状的暗物质和暗能量。　　
我们的宇宙已经存在了137亿年，希格斯玻色子让我们等待了48年。还有多少谜团尚未发现？没有答案。既然我们无法预测未来，不妨学习玩笑中的希格斯老爷子：每天锻炼身体，等待下一个发现的来临。
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