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        通往希格斯粒子之路

        2013-12-29 00:00:00康旻
        飛碟探索 2013年3期

        2012年6月14日深夜,一群在LHC工作的博士后研究員以及研究生,開始查看一個剛打開的數(shù)據(jù)快記區(qū)。LHC這座巨大加速器坐落于日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心,幾個月前,它才從冬天的休眠狀態(tài)蘇醒過來。自那時起,LHC已經(jīng)產(chǎn)生了極大量的數(shù)據(jù)。但是,LHC最大兩個實驗組的6000余名物理學家,卻很怕他們在分析數(shù)據(jù)時無意間加進自己的主觀偏見,因此他們相約在6月中前完全不去探知結(jié)果,也就是執(zhí)行所謂的盲分析,一直要等到6月中,在發(fā)狂挑燈夜戰(zhàn)之后才揭開答案。

        眾多年輕科學家徹夜分析剛開放的數(shù)據(jù)。雖然LHC這個巨大的對撞機“喂養(yǎng)”了很多實驗,但是只有其中兩個最大的實驗:ATLAS與CMS偵測器,才擔負著尋找希格斯粒子的責任。這個大家找尋已久的粒子是量子物理標準模型中唯一還沒補足的“拼圖片”。質(zhì)子在這兩個實驗的龐大偵測器里對撞,產(chǎn)生的次原子碎片源源噴出,由偵測器記錄下來。對于這些碰撞殘余物仔細且獨立的分析,可能揭露一閃即過的新現(xiàn)象,其中或許包括那難以捉摸的希格斯粒子。但是偵測器必須過濾大量的粒子軌跡以及留下的能量,與此同時,還得忍受低能量背景粒子的不斷沖擊,而有趣的信號可能會被這些背景粒子遮蓋掉。這就好像一方面從消防水管喝水,同時還要用你的牙齒搜出幾粒很小的金子。

        幸好,科學家知道自己要尋找的是什么。在度過LHC啟動初期所遇上的災(zāi)難性意外(2008年,在LHC啟動9天之后,連接兩個磁鐵的電路接頭發(fā)熱并熔化了,產(chǎn)生的巨大火花刺穿了附近的容器,因而釋放出幾噸的氦氣,并把幾十個昂貴的超導(dǎo)磁鐵從支座上扯了下來)之后,對撞機在2011年間已經(jīng)搜集了很多數(shù)據(jù),足以看到希格斯粒子的初步跡象。

        在LHC于2011年10月停止運轉(zhuǎn)(這是事先計劃的冬季停機)之后,ATLAS的發(fā)言人吉亞諾提與當時CMS的發(fā)言人東奈里,于2011年12月中在擠滿了人的歐洲核子研究中心大講堂,一起做了一場特別的學術(shù)演講。這兩個實驗團隊都從數(shù)據(jù)中看到了意味著希格斯粒子存在的跡象。

        此外,這些希格斯粒子的跡象也相互呼應(yīng)。ATLAS與CMS都看到了兩個總能量為125GeV(1GeV相當于10億電子伏特,是量子物理的質(zhì)量與能量標準單位,大約等于一個質(zhì)子的質(zhì)量)光子射出的事例,這些事例的次數(shù)比預(yù)期的背景值還多了數(shù)十個。如果質(zhì)子碰撞產(chǎn)生了壽命很短的希格斯粒子,它們可以衰變成兩個光子,而這兩個實驗也都發(fā)現(xiàn)總能量約為125GeV的四個帶電荷輕子(電子或緲子)射出的事例數(shù)量比背景值高,它們可能來自希格斯粒子。這種情況前所未見,表示某種真實的東西要開始從數(shù)據(jù)中浮現(xiàn)。

        不過由于量子物理的標準很嚴,2011年的一切信號尚未強到足以宣稱“發(fā)現(xiàn)”了希格斯粒子。在過去,類似的數(shù)據(jù)信號經(jīng)常后來就消失無蹤,也就是它們只是隨機的漲落而已。LHC在2012年春季成功運轉(zhuǎn),11個星期間的質(zhì)子碰撞次數(shù)比2011年一整年還要多。搜集的更多數(shù)據(jù)可以輕易地把2011年看到的跡象抹掉,讓它們淹沒于背景噪聲之中。

        當然,也可能出現(xiàn)相反的情況。如果之前的跡象的確來自真實的希格斯粒子,而不僅是殘酷的統(tǒng)計漲落,則所有的新數(shù)據(jù)將給研究人員提供絕佳的機會,得以宣稱正式發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子,讓數(shù)十年的搜尋畫下旬點,并開啟了解物質(zhì)與宇宙的全新時代。

        希格斯粒子從來就不是另一個粒子而已,因為現(xiàn)代量子物理是由一組環(huán)環(huán)相扣的理論構(gòu)成的,稱為標準模型,而希格斯粒子正是標準模型這個宏偉智性體系的基石。英國愛丁堡大學的希格斯在1964年提出有這樣一個粒子存在,它是一種微妙機制的必然結(jié)果,這個機制賦予基本粒子質(zhì)量;比利時布魯塞爾大學的翁勒與布饒?zhí)匾约坝鴤惗鼗始覍W院的三位研究人員也獨立提出了這個機制:宇宙的每個角落都充滿了一種難以捉摸、極纖細的流體(稱為希格斯場),它讓基本粒子帶有各自的質(zhì)量,希格斯粒子便是這種流體的實體展現(xiàn)。由于人們在20世紀70年代發(fā)現(xiàn)了夸克與膠子,到了20世紀80年代初,質(zhì)量很大的、傳遞弱核力的W玻色子與z玻色子也被發(fā)現(xiàn)了,大部分的標準模型便已很精巧地組合起來。

        雖然理論學家宣稱希格斯粒子(或某種很像它的東西)必須存在,卻無法預(yù)測它的質(zhì)量,再加上其他因素,尋找希格斯粒子的研究人員沒有太多線索可循。早在1984年,人們便以為看到了這樣一個粒子,因為似乎有一個質(zhì)量小于9倍質(zhì)子質(zhì)量的粒子,出現(xiàn)在位于德國漢堡、翻新之后的低能量電子正子對撞機。它看似希格斯粒子,但是在進一步研究后,這個初步的可能性便被排除了。

        多數(shù)理論學家同意,希格斯粒子的質(zhì)量應(yīng)該更高上10倍~100倍。如果是這樣,我們就需要一座遠比費米國家實驗室的正負質(zhì)子對撞機更大、能量更高的對撞機,才足以發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。正負質(zhì)子對撞機是周長為6000米的質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機,完成于1983年。同一年,歐洲核子研究中心開始建造花費10億美元的大型電子正子對撞機,在日內(nèi)瓦附近挖了周長為27千米的圓形地道,四度跨越法國與瑞士國境。雖然大型電子正子對撞機有其他重要的物理目標,希格斯粒子仍是它最想捕捉的對象之一……

        【大事年表】

        科學家在2012年夏天發(fā)現(xiàn)了類希格斯粒子,代表數(shù)十年的追尋走到了終點。在量子物理標準模型成形之前的幾年,物理學家體認到他們無法解釋粒子為何應(yīng)該帶有質(zhì)量。一連串的理論引導(dǎo)出一個想法:一種新的場(現(xiàn)稱為希格斯場)能夠讓粒子慢下來并賦予它們慣性。這個場應(yīng)該有個隨附的粒子,所以物理學家便開始了對希格斯粒子的追尋。

        1964年8月:論文出爐

        有三篇論文提出一種機制以及一種粒子,后來以希格斯為名。翁勒與布饒?zhí)匕l(fā)表了三篇論文中的第一篇。希格斯的論文為第二篇,發(fā)表于兩周之后。古拉尼克、哈根與奇波于同年11月發(fā)表了第三篇論文。

        1979年8月:發(fā)現(xiàn)膠子

        科學家首先在德國電子同步加速器中觀察到膠子,亦即負責核力的粒子。根據(jù)理論學家的計算,膠子的融合會比任何其他過程產(chǎn)生更多的希格斯粒子。

        1983年1月:發(fā)現(xiàn)W玻色子

        當歐洲核子研究中心的超級質(zhì)子同步加速器首次發(fā)現(xiàn)w玻色子后,科學家便找到了標準模型最后欠缺的拼圖之一。

        1989年7月:新對撞機啟動

        為了追尋更遠大的目標,歐洲核子研究中心在27千米長的環(huán)形地道里建造的大型電子正子對撞機開始啟動。

        2000年9月:尋找希格斯粒子的最后沖刺

        正當大型電子正子對撞機依預(yù)定計劃要永久關(guān)閉時,科學家偵測到了希格斯粒子的跡象。管理當局便允許大型電子正子對撞機多運轉(zhuǎn)6個星期,并把碰撞能量推高到超過機器的設(shè)計值,但終究一無所獲?,F(xiàn)在我們知道,那個微弱的跡象并非希格斯粒子,因為質(zhì)量不符。

        2000年11月2日:一個時代的結(jié)束

        歐洲核子研究中心關(guān)閉了大型電子正子對撞機,以便開始建造LHC,它最終找到了希格斯粒子。

        2008年9月10日:一切妥當

        剛建成的LHC完成了首次質(zhì)子束繞行。

        2008年9月19日:災(zāi)難來臨

        連接兩個磁鐵的電路接頭發(fā)熱并熔化,巨大的火花刺穿了磁鐵的容器,釋放出幾噸的氦氣,超過50個超導(dǎo)磁鐵因而被從支座上扯了下來,或者說被毀掉了。

        2012年7月4日:發(fā)現(xiàn)類希格斯粒子

        歐洲核子研究中心的科學家宣布,他們在125GeV處發(fā)現(xiàn)了一個類希格斯粒子。

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