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        “上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)

        2012-06-11 04:50:29陳方正
        南風(fēng)窗 2012年15期
        關(guān)鍵詞:基本粒子對撞機(jī)夸克

        陳方正

        7月4日是個值得紀(jì)念的日子,因為這天歐洲核子研究中心(CERN)正式宣布,通過“大強(qiáng)子對撞機(jī)”(Large Hadron Collider, LHC)上的兩個不同實驗,他們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子(Higgs boson)。那是數(shù)十年來物理學(xué)家夢寐以求的突破,因為在描述物質(zhì)最深層結(jié)構(gòu)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”(standard model)中,它是賦予其他基本粒子以質(zhì)量的關(guān)鍵,也是這模型中最后一塊拼圖板。它的發(fā)現(xiàn)倘若能夠得到確認(rèn),那么這模型的一個奇特構(gòu)想就會被證實,人類對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索,也將進(jìn)入新階段。但大自然探索歷來充滿意外和驚奇,所以LHC到底會顯示些什么,其實仍在未知之?dāng)?shù)。

        “標(biāo)準(zhǔn)模型”的成功

        “標(biāo)準(zhǔn)模型”是什么意思呢?這得從物質(zhì)的三個微觀層次說起。大家都知道,可見、可感觸的宏觀世界,其實是由分子和原子構(gòu)成,那是第一個微觀層次,它的尺度是微米(10-6m)至納米(10-9m)。其后物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn),原子是由電子和原子核構(gòu)成,原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成;電磁波是光子,粒子“衰變”時會產(chǎn)生中微子(neutrino),與電子對應(yīng)的,還有所謂“正電子”(positron),等等。這樣,他們打開了微觀世界的第二個層次,它的尺度是納米至費(fèi)米(1F =10-15m),在其中最少有6種粒子。它們所服從的規(guī)律,是量子力學(xué)和量子場論;它們之間的作用力,有經(jīng)由光子傳遞的“電磁作用”,和原子核內(nèi)部的所謂“強(qiáng)作用”和“弱作用”。對這層次的深刻了解,從上世紀(jì)50年代開始導(dǎo)致了大量新工業(yè)的發(fā)展,和科學(xué)各領(lǐng)域的飛躍進(jìn)步:它徹底改變了世界。

        但強(qiáng)作用和弱作用是如何傳遞,服從什么規(guī)律呢?這就牽涉上述粒子本身結(jié)構(gòu)的問題,它困擾了物理學(xué)家三四十年。最后,他們終于發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)更深一層,也就是第三層微觀結(jié)構(gòu),它的尺度是費(fèi)米至毫費(fèi)米(10-18m)。對此結(jié)構(gòu)的理解就是所謂“標(biāo)準(zhǔn)模型”,它是在大量實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合前一階段所發(fā)展的量子場論、群論和楊振寧在50年代所提出的規(guī)范場理論三者而建構(gòu)的,大致包含以下要素。

        (1)質(zhì)子和中子合稱強(qiáng)子(hadron),它由稱為“夸克”(quark)的基本粒子組成;夸克最少有6種,分別以上(u)、下(d)兩“味”(flavor),和紅、綠、藍(lán)三“色”(color)來分辨。

        (2)電子和中微子合稱輕子(lepton),它本身就是基本粒子??淇撕洼p子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。

        (3)傳遞基本粒子之間相互作用的,統(tǒng)稱“規(guī)范場玻色子”(gauge boson)。它們包括兩大類:傳遞“強(qiáng)作用”,也就是把夸克結(jié)合成為強(qiáng)子的,是8種“膠子”(gluon)。傳遞“電磁作用”與“弱作用”(它們合稱“電弱作用”)的,是4種介子,即光子和80年代發(fā)現(xiàn)的Z、W+、W-粒子。

        (4)上述規(guī)范場玻色子本來沒有質(zhì)量(這里指靜止質(zhì)量),但由于第五種介子,即希格斯粒子的特殊作用(這稱為“希格斯機(jī)制”),Z和W+、W-等3種介子獲得了巨大質(zhì)量,它們所傳遞的弱作用因此成為“短程”,而且在低能量區(qū)變得相對微弱,因此好像變得和電磁作用完全不一樣了。此外,夸克和輕子的質(zhì)量(它們的差異極大,最多達(dá)到幾萬倍)很可能也都是通過希格斯機(jī)制產(chǎn)生——也就是說,希格斯粒子是一切基本粒子的質(zhì)量之源。但在目前,這還只是一種想法,一個希望而已。

        (5)最后,上述的結(jié)構(gòu)在理論上完整,但實際上并不完全,因為除了以上一組8顆基本粒子(6顆夸克,兩顆輕子,反粒子不計)以外,居然還有性質(zhì)、結(jié)構(gòu)完全相同,但相應(yīng)質(zhì)量卻更大的兩個“復(fù)制組”。就輕子而言,這包括mu粒子及其對應(yīng)中微子,和tau粒子及其對應(yīng)中微子;就夸克而言,這包括“異(strange)、粲(charm)”和“頂(top)、底(bottom)”這兩對,而且它們同樣各有“三色”。因此,每個復(fù)制組同樣有6顆夸克,兩顆輕子,但它們都是高度不穩(wěn)定的(中微子除外)。這樣,所謂“基本粒子”的總數(shù)就不是1組8顆,而變?yōu)?組24顆了。為何它們需要自我“復(fù)制”兩次?是否還有質(zhì)量更高,但迄今未曾發(fā)現(xiàn)的其他“復(fù)制組”?這問題至今還無人能解。

        在過去30年間,上述“標(biāo)準(zhǔn)模型”獲得了巨大成功:它能夠應(yīng)用少數(shù)物理常數(shù),相當(dāng)準(zhǔn)確和全面地解釋處于1Gev (109ev,1ev=1.6×10-19焦耳能量) 至1Tev (1012ev) 之間的大量高能粒子現(xiàn)象,例如計算粒子的散射、產(chǎn)生,以及強(qiáng)子的質(zhì)量、衰變等等,甚至還能說明夸克為何不能夠在強(qiáng)子以外獨(dú)立存在(所謂“幽禁”),但在其內(nèi)部卻又處于自由狀態(tài)(所謂“漸近自由”)等特殊現(xiàn)象。特別是,70年代發(fā)現(xiàn)粲與反粲夸克所形成的J/ψ粒子,80年代發(fā)現(xiàn)W和Z介子,1995年發(fā)現(xiàn)頂夸克等等,都證實了標(biāo)準(zhǔn)模型根據(jù)群論所預(yù)先構(gòu)想的結(jié)構(gòu),因而轟動一時。

        物理學(xué)界的嚴(yán)峻問題

        頂夸克是在美國費(fèi)米國家實驗室的Tevatron對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。這對撞機(jī)的原理是,在圓周6.3公里的超高真空管道中,將質(zhì)子束和反質(zhì)子束各加速到1Tev,然后令它們以統(tǒng)共2Tev的能量對撞,并以高速探測器和電子計算機(jī)分析所產(chǎn)生的結(jié)果。其后,物理學(xué)家繼續(xù)在此機(jī)上努力搜索希格斯粒子,但由于它能量不足,粒子束流量不夠大,一直沒有決定性結(jié)果。所以,從將近20年前開始,高能粒子物理學(xué)已經(jīng)逐漸停頓下來,“標(biāo)準(zhǔn)模型”能夠解釋的現(xiàn)象,就以能量2Tev為上限。

        打破這悶局的,是2010年開始運(yùn)轉(zhuǎn)的CERN大對撞機(jī)LHC。它的前身是1989年落成的電子—質(zhì)子對撞機(jī)LEP,后者周長27公里,深入地下100米的圓形隧道為LHC承受,被改用作質(zhì)子—質(zhì)子對撞機(jī)。此機(jī)1998年動工,10年后落成,正式運(yùn)轉(zhuǎn)以來,初步達(dá)到的總能量是8Tev(至終將達(dá)到16Tev),也就是美國Tevatron的4倍,而粒子流則是后者的25倍—這些巨大改進(jìn),是以造價9倍于后者(美元90億與10億之比)得來的。這也就是為何LHC開動僅僅兩年之后,就已經(jīng)初步找到希格斯粒子,測定其質(zhì)量為125Gev,并且將結(jié)果是統(tǒng)計誤差所致的可能性減縮到百萬分之一以下。

        不過,CERN的宣布很謹(jǐn)慎,說要待今秋或者年底才能夠正式發(fā)表結(jié)果。這除了要進(jìn)一步增加事例以改進(jìn)統(tǒng)計,和確定質(zhì)量以外,當(dāng)還要分析所發(fā)現(xiàn)粒子的其他特征,例如自旋、對稱性、衰變方式等等,看是否和預(yù)期相符。因為目前所發(fā)現(xiàn)的,到底是標(biāo)準(zhǔn)模型中單一的希格斯粒子,抑或如另類理論所預(yù)言的其他“多重希格斯粒子”之一,那還有待研究。無論如何,只要這發(fā)現(xiàn)并非統(tǒng)計上的“誤判”,那么即使有意外結(jié)果,也只表明“標(biāo)準(zhǔn)模型”和現(xiàn)實有差距而已— 而那正是物理學(xué)家熱切等待的。因此,LHC可以說是“旗開得勝”,已經(jīng)證明它的價值了。

        不過,這也就引出好些問題來。最明顯的是,為何Tevatron能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量更高(175Gev)的頂夸克,卻要待LHC才能夠找到質(zhì)量較低(125Gev)的希格斯粒子?答案是,兩者在粒子流量上有很大差距,這有點像在黑夜中尋找目標(biāo),用手電和用探射燈不可相提并論。更重要的是,雖然兩個對撞機(jī)都有足夠能量產(chǎn)生希格斯粒子,但產(chǎn)生的可能性在8Tev碰撞能量要比在2Tev大得多。這又有點像用特定光譜的探射燈能夠激活特殊目標(biāo)發(fā)出熒光一樣。

        其次,找到了希格斯粒子又如何?這比較難以回答。倘若一切都如標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)料,那么粒子物理學(xué)家只好承認(rèn),太陽之下再無新事物,他們面臨失業(yè)了。但這種可能性是不大的,比之Tevatron,LHC的能量極限足足提高了8倍。從經(jīng)驗可知,在這么寬廣的新能量區(qū),必然會有大量激動人心的發(fā)現(xiàn)。令物理學(xué)家憂心忡忡的,反而是短短幾年后,這新能量區(qū)的所有秘密都將大白于天下,屆時何以為繼呢?在過去大半個世紀(jì),歐美政府對粒子物理學(xué)的支持非常堅定和慷慨,所以每一部前緣加速器、對撞機(jī)完成使命之后,必然會有下一代機(jī)器“接棒”。但1993年底發(fā)生了變故,當(dāng)時美國政府決定取消造價可能遠(yuǎn)超百億美元,能量設(shè)計為40Tev的“超導(dǎo)超級對撞機(jī)”SSC,那本來是要為LHC接棒的。這樣,后者剛剛誕生,就已經(jīng)面臨“絕種”危機(jī)了。

        這還帶來了最后一個問題。第三層微觀世界的結(jié)構(gòu)雖然奧妙無窮,但迄今為止,卻沒有任何可預(yù)見的現(xiàn)實意義,它的探索,似乎純粹在于滿足人類好奇心而已。各國政府愿意撥出龐大資源來支持它,無疑和原子與核物理學(xué)的巨大力量有密切關(guān)系。但現(xiàn)在公眾對粒子物理學(xué)的信心和耐心退潮了,SSC的夭折就是明確信號。因此,物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索到底是否還有前途,在2020年之前勢將成為物理學(xué)界不可回避的嚴(yán)峻問題。

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