http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-07-13
并不存在于我们身边的“上帝粒子”，缘何让物理学界这般兴师动众，乃至目前全球耗资最大、能量最高、多达数十个国家参与的大型对撞机也以寻找它为首要使命？为此，蝌蚪五线谱采访了中国科学院高能物理研究所研究员、欧核中心CMS项目中国组成员陈国明。
“上帝粒子”为什么如此受重视？
“上帝粒子”的正式名称是希格斯玻色子(Higgs Boson，或称希格斯粒子)，上世纪60年代由英国物理学家彼得·希格斯首次提出。
就像生物分为雌雄两性一样，物质世界的基本粒子也分为费米子和玻色子两种。基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料，如电子、夸克、中微子；而传递作用力的粒子都是玻色子，如光子、介子、胶子。
在能解释自然界四种作用力当中三种(电磁力、强相互作用力、弱相互作用力)的物理学标准模型“大厦”中，共有62种基本粒子，希格斯粒子是最后一种尚未被证实的。
但希格斯粒子却是标准模型中的关键一环，它被视为其他基本粒子产生质量的原因。“简单地讲，有了希格斯粒子，基本粒子才有质量，才产生引力，宇宙才会有元素、恒星、行星和生命。”陈国明解释说。
而对于媒体普遍将希格斯粒子称为“上帝粒子”，称其是一切物质的质量之源，陈国明认为这种说法有点夸张。
“物质的质量其实来自两部分，一部分是夸克、电子等基本粒子本身的质量，是由希格斯粒子赋予的；另一部分则是由这些基本粒子相互作用产生的结合能，这部分占的比重其实更大。
希格斯粒子为什么如此难找？
陈国明介绍，根据物理学标准模型和大爆炸理论，我们的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸刚发生时，无数的正反粒子同时产生，轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子凝聚成物质，通过长时间的演化形成了星系。
也就是说，希格斯粒子的使命，在宇宙大爆炸初始就已经完成了。“137亿年后的物理学家要再次发现希格斯粒子的踪迹，就只有建造能量强大的对撞机，在里面给两束高能粒子进行加速、对撞，来模拟宇宙开始的时刻。”
“然而每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，有一颗是金沙，需要找出来。”
更麻烦的是，这种粒子一旦产生就转瞬即逝，在10亿分之一秒之后，它就会衰变成两光子或四轻子等其他粒子。“科学家只能通过观测衰变之后产生的光子或其他粒子，反推它们是否希格斯粒子衰变出来的，这个过程中很容易发生误判。”
陈国明说，在CMS实验中，中国组提出的一种区分方法，就为提高寻找希格斯粒子的灵敏度发挥了重要作用。
这次发现希格斯粒子的成功率有多大？
去年9月，欧核中心格兰萨索实验室宣布了轰动一时的“中微子超光速”发现，后来发现只是设备问题导致的错误结论。在近年来西方一些著名科研机构屡次因追求新闻轰动、取悦公众支持而过于仓促发布成果的背景下，这次欧核中心“高调”宣布希格斯粒子很可能已经找到，是否靠谱呢？
“大型强子对撞机的主要目的就是为了寻找希格斯粒子，自从2010年3月开始运转以来也取得了这一阶段所需的数据。应该说今年得出结果并不算早，还是在预期时间之内的。”陈国明表示。
“而且这次五六个研究小组、CMS、ATLAS两个项目都取得了一致的研究结果，2012年的结果也与2011年的一致，加上确定性水平可达5西格玛(在统计学上为“真”的比率是99.99994%)，出现‘乌龙’的可能性应该说还是很小的。”
陈国明同时坦言，以目前取得的数据，要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够。“还需要更多的实验数据积累，可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机，才能更仔细、准确地验证这个结果。”
这次是否发现希格斯粒子，对物理学会有什么影响？
虽然目前还不能最终确信希格斯粒子已被发现，但连日来国内外多名科学家纷纷赞扬了这一新发现。如果证实这次发现的就是“上帝粒子”，将是里程碑式的物理学成就，年已83岁的彼得·希格斯或许也有望问鼎诺贝尔奖。
不过，即便希格斯粒子终于发现，仍远不意味着粒子物理学即将画上圆满句号。“物理学标准模型不是万能的，像暗物质、暗能量、物质与反物质不对称等问题，它都不能解释。”陈国明说。
而在理论物理学领域，标准模型也并非金科玉律。“其他还有像超对称理论，认为存在多种希格斯粒子，与标准模型当中的希格斯粒子有很大不同；而霍金等一些科学家则支持超弦理论，这种理论能把引力和其他3种作用力统一起来，但这里面并没有希格斯粒子的位置。正是因为这个，霍金才要出100美元跟人打赌说希格斯粒子并不存在。”
陈国明表示，若是希格斯粒子被证明并不存在，标准模型恐怕面临“大厦将倾”，对许多基本物理学原理的解释都要推倒重来。“其实物理学界也有相当一些人并不坚定相信希格斯粒子必定存在，我也一样，实验物理要看结果。但毕竟这个问题事关物理学理论体系的根基，大家都希望尽快把它弄清楚。”
研究粒子物理，实际意义有多大？
希格斯粒子终于找到也好，找不到也罢，对普通公众来说或许最多只是一时谈资而已。而开展这种时间久、耗费大、又看不出如何能促进国计民生的科学项目，除了满足一小撮科学家的好奇心外，究竟有多大的实际价值呢？
“理论需要超前于实践，一方面只有通过理论基础，人们才能深入认识许多科学原理，并利用它们进行发明创造，比如原子弹、半导体如果没有相关理论是造不出来的。另一方面当科学家做出一项理论新发现时，通常最初也难以预料它的应用前景，可能需要很多年后才会得到发掘。”
陈国明还介绍说，科研所用的对撞机属于粒子加速器这个大家族，而粒子加速器离我们的日常生活其实并不遥远。小型加速器可用于多种实际用途，比如作为医学检查、治疗肿瘤的手段，或者对食品进行辐照杀菌，使其不用防腐剂也能保鲜；此外还有对其他学科和产业帮助巨大的同步辐射光源、散裂中子源等。(完)
[新浪网-蝌蚪五线谱]
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