希格斯玻色子 搜捕上帝粒子 (上) 撰文 Mathieu Grousson 编译 全志钢.

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1 希格斯玻色子 搜捕上帝粒子 (上) 撰文 Mathieu Grousson 编译 全志钢

2 真相大白的時刻終於到來！在大型強子對撞機 (LHC) 中，物質正在交待自己的終極秘密。這是一個名爲希格斯玻色子的秘密，它的發現將鞏固科學迄今對物質的認知。即使發現不了，那也將是極其寶貴的教訓，因爲到那時物理學家就必須拋棄對“上帝粒子”的依賴而重新反思世界的真相。可以肯定的是，物質就要開口說話了。而且不管它說的是什麽，它都是對的。

3 2011是個多事之秋！在世界各地，歷史的進程似乎突然加快了腳步，展現出新的前景，並迫使人們用新視角去看待老問題。不過最震撼的提速恐怕還在後頭。因爲在粒子物理學界，一種緊張的氣氛正在蔓延。在這裏，歷史同樣也加快腳步，乃至所有以探索物質奧秘爲己任的人們，以及所有思考世界之構成的人們都變得焦躁不安起來。他們急切地等待著一個大發現，它將解答一個關乎我們周遭物質構成奧妙的根本問題：希格斯玻色子到底存不存在？這種被諾貝爾物理學獎得主利昂．萊德曼（Leon Lederman）稱爲“上帝粒子”的東西到底會不會現出真身，還是會讓半個世紀以來一直對它抱有期待的人們大失所望？

4 “我做了30 年研究，從沒像現在這樣忐忑。”歐洲粒子物理研究中心（CERN）的資深實驗員達尼埃爾‧德納格裏（Daniel Denegri）承認。“我們正在經歷物理學歷史上一個獨一無二的時代。”CERN理論部的克裏斯朵夫‧格魯讓（Christophe Grojean）補充道。他的同行、美國費米實驗室理論物理學家、CERN客座研究員馬瑟拉‧卡萊納（Marcela Carena）進一步指出：“我從事物理學研究 20 年，還是第一次堅信我們即將在一些最根本的問題上得到答案，即使這些答案並不一定符合我們的期待。這真是令人激動。”

5 還有一些科學家簡直就是坐立不安。“一些同事告訴我，他們興奮得不知所措，整天都雲裏霧裏，什麽事都做不了。”巴黎高等師範學校理論物理學實驗室的斯拉瓦‧裏希科夫（Slava Rychkov）透露。法國奧賽理論物理學實驗室的阿卜杜拉‧朱阿迪（Abdelhak Djouadi）也欣喜得不能自己：“大發現到來的那一天必將極其轟動！”因爲很快，我們就一定能清楚這大名鼎鼎的希格斯玻色子到底是什麽。

6 我們將會知道，近半個世紀前，理論物理學家想象出來的這種奇異的實體，會不會像標準模型、也就是我們目前關於基本物理現象的整套理論所預言的那樣，將自己的質量賦予其他粒子。迄今，這仍是一個懸而未決的疑團。如果答案是肯定的，就說明這一誕生於20世紀70年代的理論對物質表現的預言無懈可擊，算無遺策；而如果答案是否定的，那就意味著物理學家一下子被發配到了一個全然陌生的微觀世界，一個他們至今只能用大量方程描摹出粗略輪廓的微觀世界。正如斯拉瓦‧裏希科夫所說：“物理學的未來全系於此”。

7 希格斯玻色子即將現身？ 爲什麽是現在？因爲物理學家終於建成了世界上最大的科學儀器 --- 大型強子對撞機 (LHC)，這是一個位於地下100米、周長 27千米的環形管道，它能使氫原子核以創紀錄的速度發生碰撞 --- 要想發現“上帝粒子”，就必須修建這樣一座殿堂。而且自2011年年初以來，這台設備就投入了滿負荷運轉，到6月底，它已經提供了原本預期需要一整年時間才能獲得的資料。

8 “這些結果來得如此迅速，完全超出了我們的預計。”CERN 實驗員紀堯姆‧於納爾（Guillaume Unal）興奮地說，“大家一下子都熱情高漲起來。”甚至早在3月間，熱度便已開始顯現：有人在美國哥倫比亞大學理論物理學家彼得‧沃伊特（Peter Woit）的博客上跟帖，披露了一份CERN內部通報可能發現希格斯玻色子的材料。發帖者很可能是LHC團隊的一員，許是按捺不住激動的心情，急著想把自己的名字與這項如此偉大的發現聯繫在一起。幾天後，CERN不得不發表官方聲明闢謠。不過，真正激動人心的還是夏天：通過對數十億次對撞的資料分析，神秘粒子的身影彷佛越來越明晰了。

9 在 2011 年 7 月底於法國格勒諾布林舉行的國際研討會上，可能發現希格斯玻色子的前景被公子之于衆。但一個月後，提交給印度孟買學術大會的資料卻未能支援這一結論。“新的資料令與會者感到失望。”阿卜杜拉‧朱阿迪承認。CERN 預計2012 年年底會有定論，而鑒於目前掌握的資料，一些樂觀人士認爲近期就將水落石出。那將是一個標準模型所預言的希格斯玻色子，抑或一無所獲？克裏斯朵夫‧格魯讓拒絕猜測：“還是靜候大自然的發言吧。”

10 物質要發言！ 50年的努力就要開花結果了：在大型強子對撞機的幫助下，物理學家即將驗證他們的物質理論是否正確。
哪位考古學家會在發掘之前大肆張揚自己發現了能夠證實整部物種進化史的化石？哪位元生物學家會在實驗之前高調介紹自己發現了能夠破解地球生命起源之謎的關鍵分子？偏偏基本粒子研究領域的專家們就是這樣做的。他們什麽都還沒發現，甚至還不清楚到底能發現什麽，就煞有介事地宣稱自己將作出一項重大發現，甚至宣稱這項發現將底改變我們對周遭物質的認識！

11 一場事先知會的革命 他們之所以如此自信，很大程度上是仗著“no lose theorem”（永不敗定理）。這個語彙其實是幾位幽默的物理學家臆做出來的，而絕非什麽真正的數學定理。但當初，在論證是否要在日內瓦附近建造LHC時，人們基本上採取的就是這個思路。這台機器從2011年年初開始全天候運轉，多虧了它，物理學家得以進入此前無法企及的無限小的新天地進行探索。

12 也正因此，他們才信心十足，相信必會有所發現，儘管還不知道會發現什麽！即使最終他們發現其實無可發現，這本身也是一種發現，而且它對於基礎物理學的意義同樣會十分重大。總之，不管能不能找到他們所尋找的西，這些科學家都是勝者 --- 或者說，無論如何他們絕不會是輸家（即 “no lost”）！

13 事實很清楚：LHC的物理學實驗已經來到了一個臨界點，無論結果是什麽，都必將具有啓示的意義。一旦越過這個臨界點（最多只需幾個月），那必然是理論物理學數十年來最重大的發現，無疑會佔據全世界各大報刊的顯著位置。絕不是小題大做，因爲這將是人類幾個世紀以來耗費大量心血破解物質奧秘而取得的最高成就，是人類精神征程的一座里程碑。

14 依賴不斷進步的技術，人類對物質堡壘發起日益猛烈的進攻，從戰後的廢墟中探究這座堡壘的真相。就拿一塊泥土來說吧。古人曾經以爲土和水、風、火一樣，是構成一切物質的基本元素之一。現代物理學顛覆了這一觀念，證明每一粒泥土都包含了數以百萬計的分子，每一個分子都由原子構成，每一個原子中都有一群電子圍繞著一團質子和中子旋轉，而每一個質子或中子都由一些更小的粒子 --- 誇克 --- 疊加形成。數十年研究破譯出的這個仿佛俄羅斯套娃般層層包裹的體系，在20世紀70年代誕生的“標準模型”中得到了理論化的闡述。

15 並不完善的理論大廈 根據這門極爲複雜的理論，我們的宇宙一方面由12種物質粒子構成，它們發揮著“磚頭”的作用；而另一方面，還有一小撮媒介粒子（它們就像是把磚塊黏合在一起的“水泥”）承載著三種基本的相互作用：強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。引力相互作用的強度極爲微弱，在粒子世界中亳無效果，因此被排除在標準模型之外。

16 對粒子物理學家而言，標準模型是一個無庸置疑的成就。這不僅是因爲它所預言的所有粒子都在日益強大的加速器的圍捕下現出了原形，而且它所預言的數值都得到了大量實際細節的驗證，令人歎爲觀止。然而，這幢華美的理論大廈卻隱著一個可能導致其坍塌的缺陷：只要用於轟擊物質的能量超越某個界限，在模型的方程中就會冒出一些理不清的數學矛盾（一些數值趨向於無限大，或者概率大於1），使其無法作出任何預言。爲何與能量有關？這還要從物理學家探索物質秘密的方式講起。

17 這其實是一種延續了幾千年的極其古老的辦法：用力敲開物體，看看裏面到底有什麽。在具體操作中，他們把一些粒子 --- 質子、反質子、電子 --- 的運行速度提高到接近光速以使它們充滿動能，然後令它們相互撞擊。根據質能等價理論，即愛因斯坦的著名公式 E=mc2 ， 撞擊釋放的能量就會物化爲一些全新的粒子，這些粒子如果被探測器捕捉到，就能向我們揭示該能量條件下發生了哪些物理事件。而且撞擊越猛烈，對物質的探測就越深入。無可否認，直到目前，沒有一次對撞的結果不在標準模型的預料之中，但那是因爲任何一台加速器都沒有達到過那道能量的門檻，一旦逾越它，標準模型這位元物質的預言師就會開始語無倫次。

18 這道門檻介於 1 ~ 2 太電子伏 （TeV, 1太=1萬億）之間。這看起來微不足道，因爲僅相當於一隻飛行中的蚊子所攜帶的動能。但是，請設想一下，把這樣的撞擊力集中在體積僅有蚊子幾萬億分之一大小的單個粒子上會是怎樣的情形！爲了做到這一點，人們專門修建了LHC這樣一條長達27千米、裝備了大量超導材料和超強電磁鐵的隧道，它能將3.5太電子伏的純能量傳導給質子，造成的對撞能夠釋放出7太電子伏的能量。它是第一台有能力對拒絕歸化於標準模型的未知迷境進行探索的加速器。在它的拷問下，大自然除了乖乖地向物理學家交待一些新”東西”外，別無選擇。而且，不管交待的是什麼，都一準會被LHC為此專設的兩個巨大探測器ATLAS（超導環場探測器）和CMS(緊湊型u子螺旋磁場探測器)偵聽到，那必定是一個絕妙的發現！

19 微弱而不穩定的信號 當然，理論物理學家並未等待這台機器的落成才開始揣度發現的內容。幾十年來，他們一直在思考彌補標準模型缺陷的物理及數學方法。因為雖然沒人願意拋棄那個對太電子伏以下能量級行之有效的標準模型，但大家都知道，倘要使它繼續發揮作用，就必須添加一種成分，一種新的媒介粒子，以使它的方程在描述更高能量級的現象時也能運行自如，而不致產生那些阻礙計算的錯亂。

20 早在1964年，羅伯特．布若特（Robert Brout）、弗朗索瓦．恩格萊爾（Francois Englert）和彼得．希格斯（Peter Higgs）就為這一理論難題奉上了一個完美的答案，那便是大名鼎鼎的希格斯玻色子。這種全新粒子與其他粒子的相互作用將為標準模型方程引入一些新項，恰好可以避免不協調數值的出現。更妙的是，理論學家還發現，也許正是這種新的玻色子在與其他粒子相互作用時將自己的質量賦予了後者。這“一專多能”的特點使得希格斯玻色子成為物理學的頭號搜索目標，甚至被冠以“上帝粒子”的美名……LHC的使命，就是探測這種神聖的直覺產物是否存在。這項任務可不輕鬆。

21 如何才能在撞擊產生的粒子旋渦中確鑿無疑地找到這種玻色子呢？要知道，這種粒子即便存在，其狀態也非常不穩定，會立即分解成其他粒子。因此事實上，探測器真正要尋找的是它所分解成的其他粒子。然而，這又提出了一個難題，即：即便物理學家能夠預言希格斯玻色子分解的不同模式，但還有其他一些毫不相干的過程也可能擁有非常接近甚至極其相 最大的懸念就是“上帝粒子”到底是否存在 似的表現，必須要從一片注定嘈雜的背景之中辨識出希格斯玻色子微弱的存在信號。

22 而LHC每秒鐘都會製造上百起事件，每一起事件都會產生1兆比特的數據量，如此浩繁的資訊計算，需要一個由5萬台電腦構成的網絡才能處理得過來。還有一個難題，那就是沒有人能夠百分之百地保証可以妥善分離全部背景噪音。因為根據統計學規律，數據的積累有可能會造成一些實際上毫無意義卻類似於信號的波動 — 就像在拋硬幣時有可能連續10次出現正面朝上的結果，但未必就說明這枚硬幣被做過手腳。換言之，我們什麼也不能確定！

23 不過物理學家擅長應對這樣的不確定性。正如ATLAS探測項目成員、法國奧賽直線加速器實驗室（LAL）馬魯米．卡多（MARUMI KADO）一語道破的那樣：“我們並不尋求真相，而是記錄科學事實。”說白了，粒子物理所探尋的並非那高不可攀的絕對真實，而是確定事件的置信度。為了確信某個信號的確是一個信號，科學家會不斷積累數據，直到把它可能是隨機波動的概率降至某個特定界限之下。對於這種概率為1/50左右的事件，他們習慣以“令人困惑”稱之，這意味著那完全有可能只是偶然的現象，但值得進一步細究。當這種概率下降至1/300時，就變成了一個“可以信服”的事件，這時便很難把信號歸為背景噪音，但要下結論仍為時尚早。只有到概率低至五百萬分之一以下時，物理學家才敢說這是一項“發現”。

24 LHC已為識希格斯玻色子做好了一切準備。2008年9月這台巨型加速器在投入這行後不久便因故障停機，然後不得不接受了長達13個月的休整，現在則表現得非常健康。雖然
標準模型：物理學的一座豐碑 這既是一樁偉業，也是一個奇蹟。這門理論的創始人在創建它的40多年間，不斷用數學猛藥將其眾崩潰的邊緣挽救回來。而眾20世紀80年初開始，它成了有史以來在描述我們宇宙的基本構成方面最可靠的一座理論大廈。它就是標準模型。根據這個模型，物質是由12種物質粒子和3種由媒介粒子承載的基本力（電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用）以不同的方式組合形成的。

25 這12種物質粒子就像是磚塊，而3種基本力則是將它們結合在一起的黏合劑。這個模型的問世，源於人們統一麥克斯韋（Maxwell）於19世紀末描述的電磁力與20世紀20年代誕生的量子力學的努力。理查德．費曼（Richard Feynman）、朱利安．施溫格（Julian Schwinger）和朝永振一郎（Sinltiro Tomonaga）花了將近20年時間，才解決了計算中出現無限大的問題（這些無限值沒有任何物理學意義），催生了量子電動力學。這套公式化體系描述了荷電粒子相互作用時的光子交換，成為後來標準模型的第一根支柱。

26 20世紀60年代，這段歷史得到了延續。當時，穆雷‧蓋爾曼（Murray Gell-Man）提出了誇克存在的假設：它們是一些更為基本的粒子，是構築質子和中子的元件。1967年，誇克的存在得到証實，從而打開了通向新的理論大廈的大門。這項新的理論仿照量子電動力學對強相互作用進行了闡述，描述了誇克如何通過交換膠子來進行相互作用。這門理論最終在1973年得到確立。

27 剩下的便是弱相互作用了。謝爾登‧格拉肖（Sheldon Glashow）在20世紀60年初就此提出了一套理論，假設沒兩種粒子（W玻色子和Z玻色子）承載著弱相互作用。但在理論計算中，它們的質量顯然與一種對建構該理論至關重要的數學對稱不相相容。60年代末70年代初，一些物理學家為了拯救這初生的標準模型，提出增加一種新粒子的想法，這便是我們今天所說的希格斯玻色子。理論上，希格斯玻色子與W玻色子及Z玻色子的相互作用將能催生一些新的數學項，從而消弭不協調的問題。

28 簡而言之，在20世紀70年代初，物理學家就擁有了一套能將強相互作用、弱相互作用以及電磁相互作用協調起來的理論，標準模型就此誕生。CERN理論部的阿爾瓦羅．德魯于拉（Alvaro de Rujula）認為：“接下來的一切只不過是個實驗驗証的過程。”但CERN委員會主席米歇爾‧斯皮羅（Michel Spiro）卻認為：“這一切多少像個奇蹟。”如果LHC能夠最終觸摸到這獨自撐起了整座理論豐碑的希格斯玻色子，那才真的叫做奇蹟……

29 其目前傳給粒子的能量僅為標稱能量的一半（它要等到2014年才會以標稱能量運行），但在2011年6月，該機器就已超越了2011年的年度工作目標。而隨後一個月，它再創佳績。因此，大家現在都在猜測這項有關希格斯玻色子存在真相的發現到底何時會到來。

30 無論物質的真相到底是什麼，這一發現本身都將具有重大歷史意義
一切都取決于希格斯玻色子的質量，但標準模型對此沒有任何提示。當然它不可能低于115吉電子伏（GeV,1吉=10億），即相當于2x10-25千克，比100倍質子質量稍大一些，否則它早就被發現了。而在2011年8月底，LHC得以以95%的置信度証明它的質量也不應超過145吉電子伏（見第35頁圖解）。不過在這個可能的質量區間中，也未必就能一蹴而就。

31 如果希格斯玻色子的質量在140吉電子伏左右，那麼可以肯定，開出大獎的時刻即將來臨。2011年7月底在格勒諾布爾會議上公布的材料曾顯示，如此質量的希格斯玻色子的存在概率已經略微超出標準。盡管8月底在孟買會議上發布的新數據未能証實超標，但“在這個數值附近出現了大量‘令人困惑’的數據”，CERN客座研究員、奧賽理論物理學實驗室理論物理學家阿卜杜拉，朱阿迪指出，“如果希格斯玻色子確實具有這種質量，那到2011年年底我們就一定能找到答案。”

32 諾貝爾獎發給誰？ 不過，直線加速器實驗室的讓 – 弗朗索瓦．格里瓦（Jean-Francois Grivaz）指出：“就在CERN大型正負電子對撞機（LEP）在2000年關機之前，我們看到的一些事件說明希格斯玻色子的質量可能約為115吉電子伏。”如果是這樣，那就意味著這種粒子通過一種更難分析的途徑分解，那麼專家們就只能期待來年了。

33 另一種可能就是物理學家最終發現的是一種出乎預料的粒子，一種與標準模型預言形態不同的希格斯玻色子，這種情況下我們就無法對所需時間作出預計了。而最後還有一種，那就是到了2012年底，在對希格斯玻色子所有可能的質量都進行了探索之後仍然一無所獲。但這本身也不失為一項奇妙的發現，因為這就証明大自然為解決標準模型所提出的問題，選擇了一條比絕大多數物理學家的預期更離奇的道路。不管是那一種情況，有關希格斯玻色子存在的疑問都將在2012年年底LHC因檢修停機前得到解答。

34 所以現在，大家的心都懸在那裡，盼著這台龐大的設備能夠監聽到大自然的竊竊私語，盼著從那片嘈雜的碰撞聲中分辨出一個有意義的信號。“有的時候，我們覺得自己大概發現了一個信號。結果到了第二天，它卻被証明是一個虛無縹緲的數據波動。”達尼埃爾．德納格里講述道。但不久之後，我們就將知道，我們就將知道粒子物理學的理論大廈能否經得起實驗的考驗，我們就將知道物質如何保持自身的協調。這一發現必然具有世界意義，必定會在各大高校和研究機構激起強烈的反響。

35 到那時，就要考慮論功行賞的問題了……換言之，諾貝爾獎應該頒給誰？要知道，諾貝爾獎是絕對不會對這樣的歷史里程碑視若無睹的。是該頒發給那些科研合作的負責人嗎？但這一行政管理方面的職責是由許多人輪流擔當的。是該授予LHC、ATLAS和CMS的設計者嗎？在這個領域，我們也同樣難以將功勞歸于某幾個特別之人。那麼，干脆把諾貝爾獎授予所有的科研項目組及它們的8000餘位成員？可是諾貝爾物理學獎是不能授予法人的。如果到時真的發現了希格斯玻色子，那也許事情可以變得簡單一些，直接把獎頒給最早提出這一設想的那幾個人就好了，他們是歐洲人彼得‧希格斯、弗朗索瓦‧恩格萊爾和羅伯特‧布若特 — 可是最後一位已經去世了。

36 而且那樣的話，大西洋彼岸的美國人又會不服氣了：這項理論的誕生可不只是你們歐洲人的功勞，我們美國的史蒂芬．溫伯格（Steven Weinberg）、阿卜杜斯．薩拉姆（Abdus Salam）、杰拉爾德．古拉爾尼克（Gerald Guralnik）、卡爾．哈根（Carl Hagen）以及湯姆．基布爾（Tom Kibble）等理論物理學家都對建立這一體系或將其導入標準模型作出過巨大貢獻！這絕對會讓斯德哥爾摩的諾貝爾獎評委頭疼不已的。不過，也該輪到他們費點心思啦，畢竟，物理學家破解的可是複雜得多的難題…… 待續…