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          楊金民:話說上帝粒子
          2012-07-12  【 】【打印】【關閉

            歐洲核子研究中心CERN于7月4日舉行了震驚世界的新聞發布會,宣布其大型質子對撞機LHC實驗發現了一個質量大約為125 GeV的新粒子(置信度是99.9999%),這個粒子很像是被譽為上帝粒子的黑格斯(Higgs)。LHC對撞機是人類歷史上投資最大的科學研究機器,造價高達100億美元,這一人類歷史上最高能量的對撞機的主要目標就是尋找上帝粒子--黑格斯。上帝粒子之所以取名為黑格斯,是因為它是英國科學家皮特.黑格斯(Peter Higgs)于1964年提出的(與他差不多同時提出黑格斯這一機制的還有其他幾個人,一旦黑格斯粒子的存在最后被確認,他們將分享諾貝爾物理獎)。

            尋找黑格斯的工作早在上一世紀九十年代的LEP對撞機上就開始了,LEP似乎看到了黑格斯的小尾巴, 可惜LEP對撞機由于要讓位于LHC的修建而過早的關閉了,從此便與黑格斯擦肩而過(現在看來,LEP的能量再提升一點就有能力看到黑格斯了)。接下來前赴后繼的是美國費米實驗室的Tevatron對撞機,這一領世界風騷近二十年的對撞機也對黑格斯進行了大力追捕,也模模糊糊看到了黑格斯的嬌容,可惜這一對撞機正值壯年就被關閉了(被關閉的原因是在能量和亮度兩方面都競爭不過歐洲人的LHC對撞機)。其實在LHC建造之前美國人已經開始建造超級超導對撞機SSC,按照設計它將是真正的巨無霸對撞機,其能量比LHC還要高3倍,目標也是尋找黑格斯。可惜的是,SSC由于花費驚人(吞噬金錢的無底洞)而被美國國會終止了,已經挖好的地洞被填平了(很多第三世界國家的人為此嘆息,這些花巨資挖的地道可以作防空洞或者作地道戰用啊!)。但是,歐洲人并沒有因此而停頓建造LHC的步伐,歐共體成員國共同出錢如期完成了LHC工程(世界上其他強國和大國,包括中國,也不同程度地出了錢)。由于LHC涉及到幾十個國家和幾百個大學,它的發言人Heuer在7月4日的發布會做最后總結時說LHC是全球的力量全球的成功!

            這樣看來,為了尋找黑格斯粒子所花費的金錢、時間和精力在科學史上是沒有前例的。這個粒子究竟是何方神圣?它有那么重要嗎?為什么非要找到它呢?

            黑格斯確實很重要,它被譽為上帝粒子是當之無愧的。黑格斯粒子似乎扮演著上帝的角色,又好像是上帝派往人間拯救宇宙的美麗天使:組成大千世界所有物質(包括我們人類)的基本磚塊的質量都是由黑格斯給的,若沒有黑格斯,整個宇宙都還將是沒有質量的縹緲之物,大千世界將處于原始的混沌之中。可以想象一個無質量的無形無色的鬼影世界是多么的單調和可怕!

            談到組成物質世界的基本磚塊,我們都知道從遠古時代人類就開始琢磨這個問題,比如曾經認為世界是由“水、火、土、氣”組成。到了近代才知道“水、火、土、氣”并不基本,它們是由原子組成的,后來發現原子也不基本,而是可穿透的球,其內部有一些電荷在舞動,這表明原子有內部結構,是由更小的磚塊組成的,這更小的磚塊就是帶正電的原子核和圍繞它舞動的帶負電的電子。今天人們發現原子核也不基本,是由帶正電的質子和不帶電的中子組成,而質子和中子是由更小的粒子“夸克”(兩種夸克,分別叫做上夸克和下夸克,英文名字分別為u和d)組成。到目前為止,還沒有發現夸克和電子有內部結構,因此被認為是組成物質世界的基本磚塊(這和物質是無限可分的哲學思想不符合)。圖1是原子的圖像(注意:中心的原子核極小極小,原子內部體積的99.999…%是空的)。

          圖1:原子的圖像

            由此知道,組成我們物質世界只需要兩種夸克(u夸克和d夸克)和電子(e),但是后來發現這兩種夸克還有堂兄弟(‘二門’堂兄弟是c夸克和s夸克; ‘三門’堂兄弟是t夸克和b夸克),電子也有堂兄弟(分別為m輕子和t輕子),人們不理解為什么上帝如此創造世界,為何要重復創造三個家庭的基本粒子呢?另外,除了基本磚塊的物質粒子,還有傳遞力的基本粒子(大家最熟悉的是光子,它傳遞電磁作用)。物質世界的基本粒子大家庭如圖2所示。 

          圖2:組成物質世界的基本粒子大家庭,其中有夸克(Quarks)、輕子(Leptons)、傳遞力的粒子(Force particles)和負責給質量的上帝粒子黑格斯(Higgs)

            描述這些粒子之間相互作用的理論叫作標準模型,標準模型是上世紀六十年代由格拉肖(Glashow)、溫伯格(Weinberg)和薩拉姆(Salam)建立起來的,其基礎是具有規范不變性的楊-米爾斯規范場論(其中的楊就是楊振寧教授)。標準模型的另一基本特點是宇稱破缺,宇稱破缺是上世紀五十年代由李政道和楊振寧教授提出的。但是,規范不變性要求所有的粒子都沒有質量,要使得粒子有質量,規范不變性必須自發破缺,于是皮特.黑格斯等人提出了用黑格斯機制去實現自發破缺并由此預言存在一個黑格斯粒子。這近似神話般的機制簡單而優美,檢驗這一破缺機制是基本粒子物理的首要任務,從而也是LHC對撞機的首要目標。  

            我們注意到在基本粒子大家庭中有我們不熟悉的一些面孔,它們是三個帶電輕子(e, m和t)的孿生兄弟, 分別取名電子中微子、m中微子和t中微子(英文名字分別叫ne , nm, nt), 這些中微子‘身輕如燕’,其體重還不到電子質量的百萬分之一,它們逍遙灑脫,與別的粒子只有很弱的作用,它們基本上以光的速度在宇宙中逍遙穿行,幾公里厚的鉛版也休想攔住它們的通道。正因為中微子的這種極強的穿透力,遙遠的天體里發生的反應所產生的中微子可以直達我們的地球,向我們傳達信息、訴說遙遠的天體里所發生的故事,比如,太陽發來的中微子告訴我們太陽的發光機理,超新星發來的中微子告知我們超新星的爆發機制,還有宇宙嬰兒時期所留下的背景中微子可以告訴我們早期宇宙所發生的故事。由于中微子對洞察宇宙的重要性,人們建造了大型的探測中微子的‘望遠鏡’。目前世界上對中微子的研究如火如荼,中國走在了世界的前列,探測大亞灣核反應堆所釋放的中微子的實驗取得了成功。

            基本粒子大家庭中的黑格斯最為神秘,它給世界帶來質量,但蹤跡難覓。由于黑格斯粒子本身比較重而且不帶電不帶色,它在對撞機上比較難以尋倪。和它差不多一樣重的頂夸克(t-夸克),由于帶色而參與激烈的色作用早已經被美國費米實驗室的Tevatron對撞機給發現了。黑格斯的特點之一是:它與別的粒子進行相互作用的強度正比于相應粒子的質量,越重的粒子就越容易感覺到它的存在,也就是它更喜歡跟肥重的粒子打交道(避輕就重)。

            另外還有一種基本粒子不屬于可見的物質世界,它叫暗物質粒子,它除了像黑格斯粒子那樣不帶色不帶電之外,它還是宇宙中真正的逍遙客,它像聊齋美女一樣時刻云游于我們周圍,但卻無影無蹤,我們根本就看不到感覺不到它的存在。要感知它的存在,必須有專門的實驗設備,LHC對撞機的使命之一就是產生出并探知這種神秘的暗物質粒子。  

            再回到我們的上帝粒子黑格斯。它如此偉大和光榮,那么它現在在哪兒?存在于我們的身邊嗎?其實別說我們身邊,就是整個宇宙中也早就沒有了它的蹤影。黑格斯粒子只是在宇宙創生之初曇花一現,它在完成使命(給其它粒子賦予質量)之后馬上就香消玉勛了。其實我們的宇宙起源于137億年前的一次大爆炸,當初那個爆炸的耀眼的火球內充斥著大量的黑格斯粒子,后來當太陽和地球形成的時候黑格斯早就衰變掉了,太陽和地球沒有看到過黑格斯,只有宇宙老人在他還是嬰兒的時候見到過黑格斯。

            那怎樣才能看到黑格斯呢?既然我們的現實世界中已經沒有了它,要想看到它,就必須使它重生,重新產生出黑格斯的工廠就是高能對撞機。由于黑格斯太肥胖(相當于金原子那么重),能量低的對撞機(比如我國的正負電子對撞機BEPC和歐洲的大型正負電子對撞機LEP)就沒有能力把它產生出來。美國的Tevatron對撞機可以把它產生出來,但要看到它甚是困難,它躲在那燈火闌珊處,若影若現,急煞美國人也(美國人在Tevatron對撞機上尋找了它二十年,終于沒看到它的真面目)。最后的勝利還是歸于了歐洲人,LHC已經基本發現了它,這將載入世界科學史冊和人類文明史冊。

            黑格斯的發現有什么科學意義?伴隨黑格斯而來的還有其它新粒子嗎? 137億年之前與黑格斯同宮共舞的應該還有很多伙伴,其中有個大家族就是超對稱粒子(它們也早已衰變掉了,也只有在對撞機上才能再現身)。理論上的原因是:如果存在基本的黑格斯粒子,那么標準模型就顯得很蹩腳,超對稱理論就應該存在(超對稱是費米子和玻色子之間的對稱性,預言每個粒子都有其超對稱伙伴,叫作超粒子),只有在超對稱理論的天堂內黑格斯粒子才存在得自然、安逸、和諧,離開超對稱,黑格斯粒子的質量就穩定不了,它會像匹脫韁的野馬隨著能標的跑動而狂奔不止。而由于所有粒子的質量都是由黑格斯給的,那么所有其它粒子也都會隨著黑格斯變重而變重,這樣就不會有氫原子,也就不會有生命,豐富多彩的大千世界就會變成一片死寂的混沌。標準模型馴服不了黑格斯這匹野馬,只有超對稱才能駕馭它,其原因是在標準模型中猖獗的量子效應主導了黑格斯粒子的質量而使得其煩躁不安,超對稱以其優美的對稱性壓制住了量子效應這股噪音從而穩定住了黑格斯粒子的質量。另外,超對稱除了預言大量的超粒子之外,還預言黑格斯粒子有好幾個兄弟姐妹,他們一起組成一個快樂的黑格斯小家庭。LHC下一步的目標就是尋找超對稱預言的這些新粒子,圖3是超對稱預言的粒子大家庭。

          圖3:超對稱預言的粒子大家庭,左邊一半全部被發現,右邊一半正在尋找之中

            黑格斯的發現為我們理解這個世界指明了方向,說明我們的主流理論(標準模型-超對稱-大統一)可能是正確的,從而鼓舞著人們沿著這一主流方向繼續探索;同時宣告了所有那些預言不存在黑格斯粒子的理論模型的死亡。正像LHC的發言人R. D. Heuer 在7月4日的發布會所說,黑格斯粒子的發現是個里程碑,但僅僅是個開始!實驗學家將繼續測量黑格斯的性質并探索發現新的粒子(尤其是超對稱粒子),理論學家將深入研究與黑格斯有關的理論特別是超對稱理論,并以超對稱理論為橋梁最后建立一個成功的大統一終極理論。

            黑格斯的發現震驚了世界,它再次彰顯了人類的高超智慧,起源于宇宙塵土的人類憑著自己的血肉大腦竟然一步步摸透了上帝創造世界的玄機,妙哉。

          ——《北京日報》特約科普(7月11日第17版面)

           

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