希格斯波色子
幻想成真
那些寻找希格斯波色子的人们可能终于将猎物逼到了角落
Dec 14th 2011 | from the print edition
不错,他们找到了它。可能,也许。要想让物理学家对到底有没有发现希格斯波色子这一点表态几乎和寻找这个难以捉摸的亚原子猎物踪迹一样困难。因为要把该粒子孤立出来证明是极难的,该领域的一位领衔研究者里昂·莱德曼曾称其为“天杀的粒子”。而一位自命不凡的编辑略加修改,将其更名为“上帝粒子”,于是一个传说就这么诞生了。报刊头条记者很喜欢这个名字。物理学家则很喜欢这个名字带来的宣传。世界最大的粒子物理实验室-欧洲核子研究组织(CERN)是寻找希格斯子的中心,它利用这种宣传来保持研究资金源源不断。
本星期这些资金可能终于会收到一些回报了。12月13日CERN日内瓦总部的两名研究员向屏息静气的全世界公布他们找到了一个看上去很希格斯子的东西。
对于那些在过去几年没有对粒子物理学领域的细节报以关注的读者,希格斯波色子是1964年英国研究员彼得·希格斯(上图照片)和其他五个没那么有名的人共同想象出来的一种理论建构。它是标准模型中还未被观察到的最后一个部份。而标准模型是现有对于宇宙运作方式的最令人信服的解释,其中包括除了引力以外的宇宙所有方面(引力是由广义相对论来解释的)。
标准模型(见图)包括一些人们熟悉的粒子,像是电子和质子,以及一些较专业晦涩的粒子,像是作为弱相互作用力媒介的W波色子和Z波色子。大多数波色子都扮演着将其它称为费米子的粒子联系起来的信使角色。它们的这种媒介效应是通过电磁力,强相互作用力和弱相互作用力实现的。但是,希格斯波色子的作用不同。所有质量不为0的粒子都是由它赋予质量的。没有它,或者任何功能类似的粒子,标准模型将会预测一些实际上有质量的粒子(特别是W波色子和Z波色子)质量为0.换句话说,没有它,标准模型就是错误的。
这次CERN两个实验项目ATLAS和CMS各自的组长-法比奥拉·吉亚诺蒂和奎多·托尼利宣布他们的仪器都观察到了看上去像是希格斯子踪迹的现象。之所以是踪迹,而不是波色子本身是因为希格斯子是不可能直接观察到的。最好的希望就是找到希格斯子分裂之后的粒子事件。而这些事件本身也需要在CERN的巨型粒子加速器-大型强子对撞机(LHC)中让高速相对运行的质子进行对撞产生。希格斯波色子这样的重粒子可以通过多种不同方式碎裂,但是每一种方式都是可预测的。ATLAS和CMS实验都观察到了一些预测的事件,出现的频率已可以让研究者产生兴趣,但还不足以作为这是来自于希格斯子,而不是其它非希格斯子衰变背景产生的随机干扰的证据。
人们这么兴奋关键原因在于ATLAS和CMS(位于LHC的环形加速器管道两个不同部位)都得到了同样的结果。两个实验结果都表明,如果它们观察到的真是希格斯子,那么这种波色子的质量会是大约125千兆电子伏(GeV)。电子伏是一种用来测量亚原子粒子质量的专业单位。这种巧合大大增强了这是货真价实的发现,而不是一些偶然干扰结果的可能性。
这也大大增强了物理学家们对于未来的希望。标准模型,虽然经历了时间的考验,却有几个地方是靠数学上的取巧才得以维持的。如果假设每种粒子都有一种或多种更重(且尚未发现)的伙伴粒子,那么大多数这些疑点都会消失,而且会产生一个优美得多的宇宙理论。而这些未发现的伙伴粒子的质量是和希格斯子的质量息息相关的。希格斯子越重,这些粒子也就越重。而如果它们太重,那么即使是理论上LHC也无法发现它们。对于广义的物理学未来,及狭义的LHC未来来说,很幸运的是125GeV的希格斯子质量意味着这台位于日内瓦附近的仪器可以发现一些这类伙伴粒子。
醒醒,小苏西
这种重伙伴粒子组成的宇宙模型盖过了由标准模型建立的更为人熟悉的宇宙模型,它被称为超对称。而检验超对称模型也是建立LHC的本来目的。寻找希格斯子是旧物理世界的最后一章。内行将超对称简称为苏西,它代表着新的物理世界。之所以称其“超”对称在于它提出所有已知的费米子都有一个或多个假定的波色子相伴,而每个已知的波色子都有一个或多个费米子相伴。这些伙伴对称性清除了所有需要数学取巧才能维持的地方,得到了一个数学上要更纯粹的结果。因为这个原因,在大多数物理学家心中苏西都是“接下来会发生什么”清单上的第一名。
这也可能回答一个从20世纪30年代开始就困扰物理学家们的问题。那就是:各个星系的旋转速度似乎太快,自身引力不足以使其保持凝聚,那为什么星系不会四分五裂呢?这个问题的答案一直以来都是“暗物质”,那就是拥有引力场,但和标准模型中的三种基本力几乎没有相互作用的物质的统称。但是这样只是给它起了个名,并没有解释其本质。现在还没有发现过这样的粒子,不过苏西模型预测了一些暗物质粒子的存在,而且因为它们是苏西模型预测的粒子中质量最小的,它们如果存在就应该在LHC的探测能力范围内。当然,前提是吉亚诺蒂博士和托尼利博士观察到的确实如他们所希望的那样是希格斯子。
它也有可能不是。正如CERN的老总洛夫迪特·霍尔曾经抱怨过的,物理学家们知道关于希格斯子的一切事情,唯一不知道的就是它到底存不存在。技术上来说,这点仍然成立。自从2010年LHC非常认真地开始敲碎粒子之后,物理学家们已经对大约380万亿次质子对撞结果进行了分析,但是CERN的研究员还是没有发现过任何一个实验中希格斯子存在的迹象可以达到他们确定发现所需要的严格标准:即出错的可能性要低于350万分之一。目前的错误几率大约是在2000分之一的水平。但这并没有考虑几个分离实验结果的吻合。而且数据分析仍在进行之中,因此不久之后这次的结果就会被确定或是推翻。
如果最终结果被推翻了,在经历了这么大的喧闹之后毫无疑问会有一段沮丧期。之后研究又会继续下去,仍然有未探索过的地方可能是希格斯博士预测的粒子的藏身之地。在47年的漫长搜索之后,物理学家们不会这么轻易放弃这场猎捕。
感谢译者 nayilus 点击此处阅读双语版
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