上帝粒子害霍金赌输100美元?(图)

2011年12月21日 00:00   来源:中国青年报   陈倩儿

CMS探测器捕抓的一次质子团对撞瞬间的复原图

  大名鼎鼎的理论物理学家斯蒂芬·霍金要输了!

  3年前,他押下100美元的赌注,打赌人类永远也不可能发现希格斯粒子——这种有着“上帝粒子”之称的神秘粒子,被认为是宇宙中所有基本粒子的质量之源。

  2011年12月13日,欧洲核子研究中心召开研讨会宣布,目前世界上“最强大的超级显微镜”——大型强子对撞机寻找希格斯粒子时出现“重要进展”。ATLAS和CMS这两个独立的研究组均在相似的能区附近观察到很可能是这一粒子衰变之后留下的痕迹。

  “这预示着一种发现的可能性。”ATLAS实验项目中国组负责人金山对中国青年报记者说。CMS实验项目中国组物理分析负责人陈国明持有相同的观点,同时强调这亦可能只是一次“统计涨落”。在寻找希格斯粒子的道路上,这两位来自中国科学院高能物理研究所的研究员已经花了超过10年的时间。

  尽管科学家措辞谨慎,但实验结果依然令人激动不已。法新社评论说,这一发现的重要意义丝毫不亚于爱因斯坦首次系统地阐释量子物理学。如果最终证明希格斯粒子只是一种幻想,科学家将不得不回到原点重写粒子物理学课本。

  “某种程度上,它的重要性堪比创造了一切的上帝。”陈国明解释说,“在宇宙大爆炸之初,希格斯粒子赋予基本粒子质量,使得物质得以形成、凝聚、演化,最终形成了星系,也形成了我们。”

  打赌上帝粒子不存在,这就像批评了已经去世的戴安娜王妃

  在宇宙大爆炸发生137亿年之后,为了捕获希格斯粒子,人类齐集了最尖端的科学技术,尝试还原当时爆炸的一瞬间。

  在横跨法国和瑞士边境的大地之下,大型强子对撞机占据着一条长27公里的圆形隧道。这个空旷的地下世界相当于4个梵蒂冈,如果你要走完全程,要花上整整4个小时。

  自2010年3月正式启动以来,这条隧道每秒钟都迎来千万次爆炸。在一条环形加速管道中,方向相反,各具有3.5 TeV(兆兆电子伏特)能量的质子团在4个对撞点不断碰撞。

  陈国明介绍说,几百电子伏特的X光就足以把人类“穿透”,兆兆级别的能量会使质子在对撞时完全被打碎,无数粒子瞬间喷发,仿佛一次“宇宙小爆炸”。

  每一个对撞点上都架起了上万吨重的粒子探测器,它们犹如平躺着的硕大无比的啤酒桶,将对撞点严实地包裹起来,并承载不同的实验功能。其中,名为CMS和ATLAS的两个探测器的主要使命就是探索可能出现的希格斯粒子的信号。

  爆炸的瞬间,各种参数通过计算机网格系统先传到位于日内瓦的欧洲核子研究中心的零级计算机,随即送达分布在5个地区的一级计算机站点和上百个二级计算机站点,最终抵达三级计算机系统。这个庞大的网络网罗了全世界几十万台计算机。

  在电脑屏幕前守候的,是来自全球80多个国家的科学家,其中,参与CMS和ATLAS研究组的学者就各有3000多名。

  如此庞大的阵容,只是为了寻找一个小得几乎不占任何空间的粒子。这一切,还得先从40多年前一个名为斯蒂芬·温伯格的物理学家所提出的“标准模型”说起。

  1967年,温伯格发表论文,指出一切物体都是由轻子和夸克这两大类基本而不可再分的粒子构成的,并尝试将自然界中除引力以外的三种相互作用力——电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力统一起来。

  用英国曼彻斯特大学理论物理学家杰夫·佛尔莎的话说,标准模型就像它的名字一样雄心勃勃,意味着“我们肉眼可见的一切,无论多么复杂而多元,都是由一小撮基本的粒子,根据同样简单的规律相互作用而构建起来的”。

  “一开始,根本没人相信这个。”中国科学院理论物理研究所研究员李淼对中国青年报记者说,有关标准模型的论文发表后,3年内皆无任何引用,直到上世纪70年代初期,其预言的“中性流”首次被实验证实,模型才为学界重视。

  随后的20多年里,这个模型经受了各种挑战,终于在1979年斩获诺贝尔奖。直到今天,它所预言的61种基本粒子已有60种被成功发现,剩下的一个,便是希格斯粒子。但这个漏网之鱼,恰恰是“标准模型”这幢摩天大楼的根基所在。

  “这个模型是用规范对称性建立的,根据这个对称性,有些基本粒子本身不能有质量,否则整个模型就不能统一。”中国科学院理论物理研究所所长王贻芳对中国青年报记者说,为了解决基本粒子质量从哪儿来的问题,标准模型引入由苏格兰物理学家彼特·希格斯所提出的“希格斯机制”——在宇宙诞生之初,希格斯粒子所产生的场与基本粒子互相作用,从而赋予它们质量。

  在佛尔莎看来,希格斯粒子“拯救了世界”,让人类得以理解“为什么宇宙既是由有质量的粒子组成的,同时又美妙地保持着对称”。与佛尔莎一样,许多物理学家相信希格斯粒子是浩瀚宇宙中质量起源时不可缺失的一环。

  2008年3月,霍金赌注刚下,物理学界就炸开了锅,反应最为激烈的莫过于希格斯本人。他悲痛地回应,霍金的挑战“就像是在批评已经去世的戴安娜王妃”。

  找了20多年还没有发现上帝粒子,真是让人闹心

  但即便派上了全世界最顶尖的技术和最优秀的物理学家,要逮捕支撑宇宙根基的一个粒子,依然比大海捞针还难。

  “希格斯粒子产生的几率非常低,可以说是每1012次的质子对撞,才可能产生一次。”陈国明说。更加困难的是,这种粒子一旦产生就转瞬即逝,在10亿分之一秒之后,它会通过不同渠道,衰变成光子和轻子等其他粒子。

  今年以来,大型强子对撞机内每一秒钟发生着大约4000万次的质子对撞。初步排除一些“没有意义的事件”之后,这些极其庞大的数据便逐步分流到在全球不同角落工作的物理学家手里。根据所处研究小组的不同,物理学家们各自监控着希格斯粒子的衰变渠道。

  “我们整天对着计算机,绞尽脑汁地分析,”金山介绍说,“每一次从提取原始数据,到最后得出分析结果,都要经过半年时间。”

  一度,大型强子对撞机的实验结果让人沮丧。在运行了20个月之后,学者们发现不同衰变渠道上的能量几乎没有任何“超出”。按照预期,希格斯粒子一旦现身,科学家们紧紧盯着的函数曲线上将呈现“小鼓包”。

  今年10月,赴欧洲核子研究中心参加定期会议的金山感受到“一片消极气氛”。“毕竟这个项目许多国家都投入了钱。”金山说。光在筹建阶段,大型强子对撞机就使用了来自40个国家的60亿欧元,其中在CMS和ATLAS探测器的建造上,中国分别投入了1%和0.5%的经费。此后,对撞机每运行一个小时,都需花费大约20万瑞士法郎,这些费用同样由参与实验的国家分摊。

  陈国明也承认其时心情糟糕。“找了20多年也没有找到,真是让人闹心!”与金山一样,陈国明早年曾参加大型强子对撞机的前身——正负电子对撞机的实验工作,见证了几代加速器在寻找希格斯粒子的道路上如何“前仆后继”。

  自1989年起,就在大型强子对撞机如今安身的那条隧道里,正负电子对撞机运行了11年,一直没有发现希格斯粒子。2000年,为了腾出空间打造能量更大的大型强子对撞机,正负电子对撞机停工。在大洋彼岸,位于美国费米实验室的Tevatron加速器更在1985年便开始对撞,在长达26年的时间里始终没有发现希格斯粒子的身影,今年10月,该加速器因预算问题而关闭。

  可事实上,这些加速器不是没立下功劳,它们至少告诉了我们,在它们能够达到的能量范围内,希格斯粒子不在那里。“根据爱因斯坦的相对论,一个粒子质量越大,就需要越大的能量才能把它撞击出来。”金山介绍说,“当时正负电子对撞机已经把114GeV(10亿电子伏特)以下的能区完全排除了。”

  当今能量最大的加速器——大型强子对撞机则不断排除着更高的能区。今年8月,欧洲核子研究中心的科学家宣布,他们已经把从145GeV到480GeV的能区搜了一遍,“有95%的可能性,希格斯粒子不在那里”。

  也就是说,这个粒子可以藏身的地方已经越来越小。8月过后,参与实验的科学家进一步把窗口缩小到115 GeV到130 GeV之间,这让全球物理界屏住了呼吸。一些媒体开始炒作“希格斯粒子可能并不存在”,《科学美国人》杂志亦发表文章,讨论霍金是不是“刚刚赢了那场物理史上最狂妄的打赌”。

  用一个粒子就解释了质量的起源,这听上去“很划算”,但大自然很可能不是这样的

  多年以来,对希格斯粒子抱怀疑态度的大有人在。Alexander Unzicker,一个德国的年轻物理学家就精心打造了“赌一赌希格斯”的网站,公开宣称他不相信希格斯粒子的存在。

  乍看起来,这个从未现身的粒子确像是建构在一套高深莫测的理论之上的一个虚幻的假设。即使给专攻粒子物理的学生上课时,王贻芳也常常为怎样将这套理论解释清楚而头痛。“这真的需要自己慢慢悟出来,可能到最后,很多学生也没搞懂。”

  “这是一个可以花上好几个月来讨论的争议性话题,” Unzicker在其网站上写道,“在这种情况下,德国哲学家康德会建议我们打个赌,他说,打赌是区分笃信和随意观点的最好方法。”自2009年12月以来,Unzicker像霍金一样押下100美元的赌注,邀请各方网友与他打赌。

  不过,在陈国明看来,判断希格斯粒子是否存在还得凭借精确实验的结果。就在外界传播着各种小道消息时,科学家们则在紧锣密鼓地分析数据。

  “CMS和ATLAS这两个研究组在竞争,研究组下的各个小组也在竞争,大家拿到数据之后,都抢着快点‘交作业’。”陈国明说。

  陈国明介绍说,今年11月下旬,CMS研究组第一次看到“一些超出”,而金山也表示,ATLAS研究组在11月末观察到“明显的超出”。不过,在公布实验结果之前,这两个研究组的工作人员并不能互相交流信息。

  12月13日,欧洲核子研究中心召开公开研讨会。研讨会定于下午2时举行,为了占个好位置,金山特意早早地吃过午饭,11点半前就赶到了会场。不料可容纳数百人的会议厅的门前已经排起长龙,金山坐到了最后一排,许多来晚了的工作人员干脆坐在了地上。

  赌局即将揭晓,所有人都迫切地想知道,那一个40多年前即被预言,自20多年前就开始被探寻的神秘粒子,到底是否存在。

  根据ATLAS和CMS实验项目发言人公布的结果,两个研究组分别在126GeV和124GeV附近观察到“超出事例”。不过两个研究组同时表明,目前的“超出”在统计学意义上仍然“没有足够显著”,因而“在现阶段还不能下任何判断”。

  在王贻芳看来,这一消息“非常重大,但不太让人吃惊”。“大家之前都知道,希格斯粒子如果存在,大概就在这个区域了,如果真的是这样,那‘标准模型’就太成功了,有一些人还希望它并不存在,那样或许更热闹些。”

  就在人们不断逼近宇宙万物质量起源的谜底之时,物理学家那颗不安分的好奇心越发强烈。在为英国《卫报》撰写的文章中,佛尔莎坦言,“世界上没有希格斯粒子”将是令她“最为兴奋”的结果。

  “归根到底,它还是我们对世界的一种猜测,” 佛尔莎解释说,“你用一个粒子,就解释了质量的起源,这听上去‘很划算’,但大自然很可能不是这样的。”

  大自然到底选择了怎样的发展路径?目前还是一个谜。不过欧洲核子研究中心已经保证,这一切将在2012年尘埃落定。“我们预计,明年夏天一定有大轰动,”金山激动地说,“或者是发现,或者是革命了!”

  在这之前,金山和陈国明的面前依旧摆着大量枯燥的数据分析工作。“还是要冷静,再冷静。”陈国明说,他已经计划,趁着欧美同行享受悠长的圣诞假期之际,带领自己的研究团队,继续提高“寻找的灵敏度”。事实上,在质子对撞的瞬间产生的其他粒子也可能选择了与希格斯粒子相似的衰变方式,从而混淆了数据。

  “目前来说,希格斯粒子还只是一个传说,我们要做的,就是实事求是地判断。”陈国明说。

(责任编辑:彭金美)

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