“上帝粒子”亮出底牌

(已发纽约时报中文网)

一个从业的理论物理学家很难在自己的有生之年看到自己的领域出现过几次转折点。我觉得我 们是幸运的,我们这一代人至少已经看到了两次:一次是1998年宇宙加速膨胀的发现;一次就是刚刚过去的7月4日,欧洲核子中心(CERN)通过两个学术 报告和一次新闻发布会宣布发现一个历史上从来没有见过的新粒子。

如果我是英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)本人,或另外四位发现希格斯机制的理论家,我会觉得更加幸运。他们那一代人亲历过粒子物理的黄金时代,即从上世纪五十年代到七十年代,粒子物 理标准模型就在那个时代慢慢建立起来。在这个标准模型的最底部,是希格斯机制,一个最重要但一直没有被验证的机制。标准模型的几乎所有其他预言都被各个巨 型加速器一一验证,一些实验物理学家和理论物理学家也被诺贝尔物理学奖这个荣誉定格在物理学史上。而希格斯等六人却从1964年一直等到现在,其中一位在 去年获得美国物理学会樱井奖之后去世了。那么,7月4日宣布的发现是不是走向证明希格斯机制的第一步?那个新粒子是不是被公众称为“上帝粒子”的希格斯粒子?

我个人判断是一个字,是。而且,希格斯和活着的另外四人也有可能被这个世界科学最高奖“封圣”。

标准模型囊括了自然界四种基本相互作用的三种:电磁力、弱力和强力,万有引力比较独特,暂时还没有和前三种力融为一体。经过五十年代到七十年代二十 多年英雄般的时代,三种基本力被物理学家用同一个语言成功地放在一个理论框架里,这个语言叫量子场论,基本物理学量是场,但遵从量子论。所以,场在量子的 约束下有基本单元,就是基本粒子。

而标准模型的框架看上去也很简单,所有场和粒子分为两类:一类叫物质场和物质粒子,包括电子和夸克等;另一类叫规范场和规范粒子,最简单和最典型的是光子。物质粒子和规范粒子都像一个陀螺,即自旋,物质粒子的自旋是1/2,规范粒子的自旋是1。

一切看上去这么漂亮,这么简单和干净。我上面的叙述还缺了最重要的一点,这一点被标准模型的建立人之一,美国人波斯顿大学教授,谢尔顿·格拉肖 (Sheldon Glashow)恶毒地称为标准模型的“厕所”,这个“厕所”就是希格斯粒子和它与所有其他粒子的耦合或相互作用。

弱力和强力是亚原子世界的力,也就是说我们在日常现象中无法明显看到它们在起作用。弱力和强力平时看不见的原因不同。弱力是短程力,只有在极小的距 离10的负16次方米上才有明显的作用。这是因为,格拉肖第一个指出,传递这种力的规范粒子有质量,这些粒子叫做“中间玻色子”,因为有质量它们就跑不 远,不像光子。

在格拉肖之后,美国人现德州大学教授斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)发现简单地假设中间玻色有质量并不能得到一个自洽的理论,于是,在1967年,他利用了希格斯等人在1964年发明的希格斯机制。在这 个机制中,有几个希格斯场,这些场与物质场以及规范场都不同,它们对应的粒子没有自旋。当希格斯场像钢球一样沉落到它的最低处同时打破某些对称时——这些 对称性类似墨西哥帽的转动对称,而希格斯场就像落在墨西哥帽顶和帽沿之间的那个圆槽上的一点从而打破了转动对称,中间玻色子吃掉了三个希格斯粒子变重了, 中间玻色子就获得了质量,于是弱力变成短程的了。四个希格斯场还剩下一个,也变重了。这个剩下的场有点像落在墨西哥帽的圆槽中向帽顶跑动的钢球,需要能量 才能做到这一点。它对应的粒子不带电,无自旋,这就是所谓的“上帝粒子”。

温伯格不仅利用了以上所述的希格斯机制,他还利用了希格斯场与物质场之间的相互作用,给所有物质场也赋予了质量。直观图像是这样的:当希格斯场沉落 在它们的最低点,物质粒子在空间中运动时也要穿过这些场,不停地吸收和辐射它们,于是就变重了。在宇宙早期,由于温度比较高,希格斯场最初并没有沉落到最 低点,也就是说整个宇宙的真空与现在不同。当温度下降到某个量之下(大约是一千万亿度),希格斯场就落到最低点,此时整个真空的能量更低,所有基本粒子除 了光子和传递强力的规范粒子外,都获得了质量。物质也才开始慢慢形成,最先出现的是由夸克组成的质子和中子,然后质子和中子再慢慢聚合成轻元素……

弱力因为传递粒子有质量所以变成短程的,那么为什么我们日常也看不到强力?其实没有强力就没有我们,也没有地球上的一切物体。强力由于非常强,它将 夸克以及传递强力的规范粒子束缚在质子和中子里,质子和中子的剩余作用就变成短程的了,这些剩余作用再将它们束缚在各种原子核中。

整个七十年代和八十年代是标准模型荣耀的年代。物理学家们用加速器轰出了传递弱力的中间玻色子,也检验了强力理论,同时还顺带轰出了以前没有见过的新夸克以及新中微子。实验物理学家在1983年发现中间玻色子之后,一直试图发现希格斯粒子,一直没有成功。

有几台加速器几乎可以说就是为了轰出希格斯粒子设计的。例如美国国立费米实验室的太伏质子反质子加速器,欧洲核子中心的大型正负电子加速器。太伏质 子反质子加速器在1995年发现了标准模型中最重的一个粒子,顶夸克,也是最后一个夸克。这台机器于去年十月份不得不关闭,在关闭之前未能轰出希格斯粒 子。大型正负电子对撞机命运要差些,在11年的寿命中未能发现任何新粒子,只是将中间玻色子的质量测量精确到千分之一,在2000年为大型强子对撞机让 路,不得不关闭。在关闭之前,它给出希格斯粒子质量的下限,115GeV(1GeV=10亿电子伏,约等于质子的质量)。

格拉肖称标准模型中希格斯这个部分为“厕所”是有道理的。因为它的一个重要参数无法确定,这个参数就是希格斯粒子的质量,还因为我们将质量起源归结 为希格斯粒子的存在——但是我们看不见摸不着它。所以,我们就可以理解物理学家们为什么苦苦地要发现这个粒子。当然,由于希格斯粒子与所有其他粒子不同, 无自旋同时还决定了真空性质,它一定还包藏了宇宙的更深的秘密,一些谁也不知道,理论物理学家只能通过想象来推测的秘密。所以,希格斯粒子又可以被看成暗 道中通向新世界的大门,我们自然想将它打开。

大型强子对撞机的构想形成于1987年之前。在以意大利物理学家卡洛·卢比亚(Carlo Rubbia)(他领导的实验组发现了中间玻色子)为首的物理学家推动下,大型强子对撞机1987年成功立项,1998年它的一些探测器开始建 造,2000年大型正负电子对撞机让出地下一百米处长27千米的隧道,2008年运行,由于某些超导磁体的液氦泄漏停机修理,2009年重新运行。 2011年是关键的一年,两个探测器ATLAS和CMS年底前捕捉到希格斯粒子的证据,今年到六月中旬三个月左右的运行提供了确凿证据。但是,虽然这个新 粒子非常像希格斯粒子,六千多名物理学家还需要通力合作半年才能找到足够的证据证明它就是为物质粒子提供质量的那个粒子。

欧洲核子中心主任,德国人洛夫-迪特·霍耶尔(Rolf-Dieter Heuer)在7月4日新闻发布会上狡猾地说:“作为物理学家,我只能说我们发现了一个前所未有的新粒子;作为门外汉我会说我们发现了希格斯粒子。”

我同意他的后半句,我也认为粒子物理标准模型的底牌已经露出来了,希格斯粒子已经露面了,它的质量大约在125GeV和126GeV之间。如果标准模型完全正确,这个数字已经将标准模型完全决定了,接下来除了精细测量,物理学家似乎无事可做了。

真的无事可做了吗?我的同行,中国科学院理论物理研究所刘纯教授是这么认为的。我觉得他是少数派,因为大多数同行会像我一样认为,微妙而不可捉摸的 上帝刚刚将另一手牌的第一张牌打出来,它就是希格斯粒子。这张牌在标准模型中的地位太独特了,它后面不可能没有任何背景。它没有自旋,这还不是最独特的, 更独特的是量子论会让它的质量十分不确定,可它为什么只有125GeV这么重?我觉得它的身后有整整一个排的粒子为它保驾护航。眼下,我们不知道这些粒子 列起队是什么模样,它们又如何与已知的粒子相互作用的。例如,许多理论家们早就猜测了,我们现在看到的物理世界最多只有一半,如果将所有粒子都发现了我们 就有超对称,在超对称这面镜子的这一边是我们已经看到的粒子,在镜子的那一边是另一个加强排的超对称粒子。

实际情况是什么?我们不必太着急,既然标准模型的底牌出现了,大型强子对撞机只要继续按照设计的那样运行,这张底牌下面的牌将一一翻出。只是,我们要耐心,在接下来的半年运行之后,对撞机要休整两年,之后将在更高的能量上撞击未知世界之门。

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关于 李淼

中国科学院理论物理研究所研究员
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“上帝粒子”亮出底牌》有 17 条评论

  1. John 说:

    李老师您对SUSY期望大么?现在实验已知结果是不是对SUSY不利?

  2. susan 说:

    Re: 欧洲核子中心主任,德国人洛夫-迪特·霍耶尔(Rolf-Dieter Heuer)remark, “在7月4日新闻发布会上狡猾地说:“作为物理学家,我只能说我们发现了一个前所未有的新粒子;作为门外汉我会说我们发现了希格斯粒子。”

    well, rumor has it that g0d particle was really g0damn particle. But I like to call it ‘gay particle’. Because the joke made by another Hawaii high-energy physcist makes the most sense, if replacing Higgs-Boson with ‘gay particle’…

    A gay particle walks into a church.
    A priest says ‘Sorry, but we don’t recognize your existence’.
    The gay spirit replies ‘ well, you can’t have mass without me.’

    • 李淼 说:

      gay particle,妙。

      • susan 说:

        美籍毛泽东专家施拉姆去世.
        http://cn.nytimes.com/article/china/2012/07/25/c25schram-obit/
        斯图尔特·R·施拉姆(Stuart R. Schram)是美国明尼苏达人,美国陆军核物理学家。他后来来到巴黎,成为一名法国政治史专家。在这个被战争以及残酷的战后创伤改变了面貌的世界里,他是一个仍然保持着清醒头脑的人。施拉姆夫人说,“他在研究了原子弹之后,想更多地研究人。”

        2003年,哈佛大学举行了名为“再评毛泽东”的研讨会,表达对施拉姆的敬意。在研讨会上,施拉姆批判了毛泽东,但也解释了为什么他认为许多历史学家并未把毛和世界许多专制暴君,如斯大林,希特勒以及波尔布特(Pol Pot),相提并论。

        “在许多方面,他的政治本能是正确的。”施拉姆说,“他试图寄希望于中国人民。但在个人感情方面,他很感情用事、执迷不悟和歇斯底里。上个世纪50年代,他的这些性格越发地占了主导。”

        “但是,尽管他曾犯下大错,甚至是大罪,他仍是一个伟大的领导人。他想尽力去做有利于中国的事。我想人们会为此铭记他。”

      • 嘟嘟 说:

        Prove it ,particle has sex, PhD, Lee

  3. susan 说:

    http://www.thinkwithgoogle.co.uk/quarterly/speed/executive-insight-rolf-dieter-heuer-cern.html

    “Everything depends on science – this is what we need to communicate to people.” I believe that also forms the crust of Chairman Mao/Deng Xiaoping’s view on the way to lead Chinese people to stand up against imperialism, Hitler’s view/policy to lead Germany out of depression. I see science as the work of holy ghost. Everything depends on it. Everyone is, was and shall be in it.

  4. 月岩石 说:

    希格斯粒子为何这么难以发现?是因为它的质量太大而需要高能或者超高能加速器吗?

  5. es138 说:

    Yukawa smiles in his heaven…

  6. 食铁兽 说:

    一直有个担心,现在靠撞击来轰出粒子的实验办法有没有局限性。一方面,会不会有些粒子,或者说物理对象靠撞击是没法搞出来的,不管多高的能量;另外一个,能撞击出来的粒子,真都都是自然的么,还是当中有一部分实际上是“人为创造”的?

    • 王彪 说:

      我不是搞粒子物理的,我的理解是会有个对实验数据 修正、校准、补偿的计算方法。比如质子撞质子 ,在direct photon production 的过程中,由于发出的光子 可以有 E&M calorimeter 准确测出 动量能量 等数据, 然后 可以建立一个与光子动量相反的jet 的 对比数据,之后根据 hadron calorimeter 对 jets 的实验测量,建立一套追溯 碰撞初期产物的计算方法吧。。请大牛大神们出来指点一下哈。

    • 未之 说:

      大逆不道!你这是属于大逆不道的想法!!你反了你……在举世同欢的时候,你发出这么不和谐的声音

  7. 未之 说:

    你这是意图摧毁粒子加速器的特色物理社会,是民科!刁民!刁科!

  8. Zhengwen 说:

    9 Scientists Receive the Fundamental Physics Prize

    Nima Arkani-Hamed

    Alan Guth

    Alexei Kitaev

    Maxim Konstevich

    Andrei Linde

    Juan Maldacena

    Nathan Seiberg

    Ashoke Sen

    Edward Witten

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