寻找“上帝粒子”

来源:用户上传      作者: 于达维

　　大型强子对撞机的“容器”投入使用，意味着人类历史上规模最大的一次物理试验正式开始
　　
　　在欧洲正式启动的大型强子对撞机，或将能够填补完美描述宇宙力量之源的最后一块“拼图”
　　
　　几乎全世界的物理学家都在等待的一刻，终于到了。
　　北京时间9月10日15时30分，在位于法国与瑞士边界的侏罗（Jura）山百米深处，一束质子被正式注入一个周长达27公里的巨大环形“容器”中，第一次完成了围绕整个环路的运行。
　　这标志着，这个名为大型强子对撞机（The Large Hadron Collider，LHC）的“容器”正式投入使用。人类历史上规模最大的一次物理试验正式开始。负责运营这一设备的欧洲核子中心（CERN），以及来自80多个国家和地区的2000多名科学家，已经耗费了14年的时间和大约400亿元人民币。
　　LHC的新闻发言人詹姆斯吉利斯（James Gillies）在接受《财经》记者采访时称，人类历史上还从来没有建造过如此大规模的仪器。而其中所用到的很多技术，在20年前甚至根本不存在。
　　
　　在这些难以计算的付出背后，科学家们所期待的可能“奖赏”也将是十分丰厚的，那就是人类有望第一次捕捉到“上帝粒子”的蛛丝马迹，从而补上完美描述宇宙力量之源的最后一块“拼图”。
　　
　　“审判”标准模型
　　
　　我们身边的世界万物，是由什么构成的？又是如何构成的？这个问题是人类文明面对的终极问题之一。
　　到了上世纪50年代，随着现代物理学的进展，人们已经认识到，原子构成万物。原子内部又可以细分为原子核和电子，而原子核又可以细分为质子和中子等基本粒子。这些粒子之所以能组成更为宏观的物质，则有赖于电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用以及引力作用这四种基本的“力量之源”。
　　但是，有没有可能通过一种模型，把这些不同的基本力、组成所有物质的基本粒子的所有物理现象统一起来，以便呈现给人们一个更加简单、和谐的画面？上世纪60年代，美国科学家温伯格（Steven Weinberg）等人建立的“标准模型”（standard model），就朝着这个方向迈出了重要一步。
　　作为20世纪物理学的最重要成就之一，标准模型成功地将自然界四大作用力中除了引力的电磁、弱、强相互作用统一起来，并预言存在61种基本粒子。到了1995年，随着美国费米实验室宣布顶夸克被发现，这一模型所预言的61种基本粒子中，已经有60种成功地得到了实验数据的支持和验证。
　　现在，只要人们找到最后一种粒子――希格斯（Higgs）粒子，构建在标准模型之上的大厦就将完美无缺了。
　　实际上，希格斯粒子之所以被称为“上帝粒子”（God particle），除了它是这个“拼图”中残缺的最后一块，还因为这种粒子对于整个标准模型都起着基石的作用。
　　在标准模型中，所有基本粒子都可以分为费米子和玻色子两类。其中，费米子组成物质，玻色子则负责传递费米子之间的各种作用力。至今神龙见首不见尾的希格斯粒子，就属于玻色子“家族”。
　　对于标准模型而言，它所遇到的惟一真正具有挑战性的问题，是质量起源的问题。它无法解释，在大爆炸瞬间原本只有能量没有质量的宇宙，是如何产生有质量的费米子和玻色子，并进而演化出无数星系乃至世间万物的。
　　正是为了解决这个难题，1964年，英国物理学家希格斯（P. W. Higgs）提出了“希格斯机制”（Higgs mechanism）。在这种机制中，各种粒子通过与希格斯场相互作用而获得质量，与希格斯场相互作用强的质量就大；反之，质量就小。而希格斯粒子则是希格斯场的场量子化激发的产物，它可以通过自相互作用而获得质量。
　　有人曾做过一个绝妙比喻，各种粒子通过希格斯场的过程，就像让一把勺子穿过厚厚的蜂蜜。不同材料做成的勺子，往往上面“沾”上的蜂蜜不同，即被赋予的质量也不同。
　　所以，希格斯粒子是否存在的答案，可能是完成粒子物理标准模型，实现其完美统一的最后一块“拼图”，也可能是摧毁整个标准模型，迫使其做出修改的“最后一根稻草”。换句话说，这是一种对整个标准模型颇具“审判”意味的粒子。
　　中国科学院高能物理所研究员陈国明在接受《财经》记者采访时就表示，如果希格斯粒子存在，标准模型就可以解释已知的相互作用和粒子的性质；但假如它不存在，几乎注定会在科学界引起一次地震，“科学革命就要来临了”。
　　
　　从加速到对撞
　　
　　对撞机的主要原理，是积累并加速相继由加速器注入的两束粒子流，到一定强度和能量时使其迎头对撞。与利用高能粒子轰击静止靶相比，利用相向运动的高能粒子束进行对撞，粒子间相互作用的效率更高。所以，近20年来，对撞机成为人类探索粒子世界最主要的手段。
　　目前的对撞机类型，包括正负电子对撞机、电子直线对撞机、电子－质子对撞机、质子－反质子对撞机和质子－质子对撞机。
　　1961年，造价相对较低、技术也相对简单的正负电子对撞机首先投入运行。位于北京西郊的中科院高能物理研究所内的北京正负电子对撞机（BEPC），虽然只是一台中小型的对撞机，但自1990年正式运行以来，仍然帮助中国取得了一批在国际高能物理界有影响的研究成果。
　　不过，电子毕竟质量有限，对撞能量和强度自然也有所限制，因此，早在1984年，正在筹建大型正负电子对撞机（Large Electron-Positron Collider，LEP）的CERN，就已经开始讨论以后如何利用LEP那27公里长的巨大环路来建造更强大的设备。
　　因为对撞能量和强度越高，对撞产生新的粒子和新的现象的可能越大，所以，他们决定采用质量相当于电子1836倍的质子进行对撞，并将这一计划命名为大型强子对撞机。“强子”就是指受到强相互作用影响的亚原子粒子，又分为重子和介子，其中，重子就包括了质子、中子和超子等。
　　1994年12月，CERN委员会最终批准了这一计划，并决定用质子作为对撞粒子，预计可实现能量高达14万亿电子伏特（Tev）的质子相互碰撞。整个工程总投资当时估计约40亿美元，由欧盟20个国家和美国、日本、俄罗斯、印度等国共同出资。
　　不过，由于工程进度的不确定性和材料价格的上涨，LHC工程曾一度陷于停滞，预算也一再提高。
　　现在的LHC，由1232块超导偏转磁铁、392块超导四极磁铁和超过2500块的其他磁铁构成两条并列的环形隧道；两束相反方向的质子束将在其中被电磁场中加速到接近光速，然后进行长达几小时的反向绕行。在这段时间里，粒子会在LHC中作4亿圈绕行，在每一圈，粒子束会在指定的、放有探测器的地点每秒产生6亿次相互碰撞。
　　
　　曙光在望
　　
　　据《财经》记者了解，中国科学家分别参与了这四个探测项目的实施，他们来自中科院高能物理所、清华大学和华中师范大学。
　　中国科学院高能物理所研究员陈国明告诉《财经》记者，LHC作为目前世界上能量最高的对撞机，每秒钟就可以对撞400万次，平均每次有23对质子相撞。由于单个质子的能量为7TeV, 这样对撞总能量为14TeV；这个能量，相当于现役最高水平的美国费米实验室Tevatron的7倍之多。
　　作为一个直观的比较，当逐步达到最大值后，LHC所产生的每一个粒子束的1000亿个质子所携带的能量，相当于一辆400吨重的火车以每小时200公里速度运行时的能量。

　　“这样高能的对撞，将把质子完全撞碎，相当于模拟了宇宙大爆炸起始的状态。”他解释说。
　　正是由于LHC可以产生令人生畏的高能量，今年4月，40多年前预言了希格斯粒子存在的英国物理学家希格斯，以78岁高龄参观LHC时曾对媒体表示：“几乎可以确定，（LHC正式投入运行后）很快就可以发现希格斯粒子。”
　　早在2000年，CERN的科学家在LEP上获得的数据就表明，希格斯粒子质量很可能为115GeV（1GeV=10亿电子伏特）。
　　今年8月，美国费米实验室刚刚宣布，他们的万亿电子伏特正负质子对撞机（Tevatron）以95％的准确率，排除了希格斯粒子质量在170GeV以上的可能性。
　　美国费米实验室物理学家科特莱斯曼（Kurt Riesselmann）在接受《财经》记者采访时表示，根据过去的实验结果，希格斯粒子的质量大概在115GeV到200GeV之间。
　　实际上，在两年前国际科学界已经把希格斯粒子质量95％的可能性放在了115GeV到153GeV之间。不过，在清华大学物理系教授庄鹏飞看来，虽然可能性有95％，但也无法排除希格斯粒子质量在这一区间之外的可能。
　　原则上说，对撞机产生的碰撞能量越大，所能扫描的希格斯质量范围就更大。鉴于费米实验室可以探测的质量上限已经达到了170GeV，这自然更让科学家对LHC寄予厚望。
　　“科学家们都希望从LHC发现更多惊喜，由于它的能量是Tevatron的7倍，这就意味着它可以把粒子压缩到更小的距离上，以更大的精确度研究物质、能量、空间和时间的结构。”莱斯曼补充说。
　　当然，由于即便LHC现在启动，得到准确的数据往往也要在两年之后，所以，费米实验室也已经决定把Tevatron对撞机的运行时间延长到2010年。
　　
　　“麻烦制造者”
　　
　　由于LHC还未正式启动，它能否带来一场革命仍是一个未知数，但麻烦却已经悄然而至。
　　2007年3月，美国学者沃尔特瓦格纳（Walter L. Wagner）和西班牙学者路易斯桑乔（Luis Sancho）在位于夏威夷的檀香山地方法院，将CERN告上了法庭。
　　他们认为，CERN并未认真评估LHC所存在的危险，它的运行可能诞生一种迷你黑洞；而可以吞噬一切的黑洞，这将会吞噬地球。因此，他们提出，在安全性得到严格认证之前，LHC不能启动。
　　除了迷你黑洞，亦有人担心LHC的高能量撞击，会产生致命的宇宙射线、奇异物质（strangelet）、真空泡沫甚至磁单极子，从而对人类文明构成威胁。
　　
　　针对这些担心，9月5日，在LHC正式启动前五天，CERN发布了针对LHC安全性的迄今为止最完整的报告，指出LHC不过是在实验室中再现了自然世界经常发生的粒子撞击。该报告是对2003年首次完成的安全报告的一次补充。
　　虽然所产能的质子束能量巨大，但对于单个质子而言，携带的能量和一只飞行的蚊子不相上下。因此，根据爱因斯坦的相对论，LHC所产生的能量，根本不足以制造出所谓的“迷你黑洞”。
　　即使如一些新理论所预言的那样，由于额外的维度空间的存在，产生迷你黑洞的门槛被大大降低了，这也同样不会对地球构成威胁。因为这些迷你黑洞在很短的时间内就会完全分解掉，根本来不及对外界物体进行加速，更不用说造成任何可以看到的宏观影响了。
　　至于LHC所产生的宇宙射线威胁，报告指出，在地球之外的外层空间中，产生的很多宇宙射线的能量远超出LHC。地球在过去的亿万年间，相当于经受了百万次“天然”的LHC实验，但结果是这颗星球安然无恙。实际上，整个宇宙几乎每秒都在进行着10万亿次LHC实验，但迄今为止，人们没有观测到任何星系或者星星因此受到伤害。
　　这份报告指出，如果LHC中的粒子碰撞产生的后果会毁灭地球，那么地球根本没有机会存在，因为如果这样的撞击会产生毁灭性的结果，那么地球或者其他地球这样的天体早就被毁灭了。“这样的情况早已在地球上发生成千上万次了。”
　　不过，美国费米实验室的科特莱斯曼博士告诉《财经》记者，即使希格斯粒子能够被发现，也并不能解答所有的问题，比如什么是暗物质、什么是暗能量、中微子在宇宙演化中起了什么作用等。
　　正是因为意识到LHC的局限性，国际物理学界也已经计划采用国际大型直线对撞机（International Linear Collider，ILC）作为新一代的高能物理对撞机，以克服环形电子对撞机向更高能区发展时遇到能量损失问题。
　　拟议中的直线对撞机是一台超高能量的正负电子对撞机，它由两台大型超导直线加速器组成，分别将正负电子加速到250GeV的能量，对撞能量则可达到500GeV，以后还可以提高到1TeV。它将建造在总长约40公里的地下隧道里，预计最快也要等到2016年前后才能建成。
　　中国科学院高能物理所研究员陈国明对《财经》记者表示，如果把LHC比喻成“砸开核桃的榔头”的话，ILC就是个用来分析的“手术刀”，可以仔细分核仁的性质。
　　据透露，这个仪器耗资大概为67亿美元，最大的可能是在美国、日本、德国建造。当然，它具体的架构还要看LHC的结果，或许至少也要等到20年以后也未可知。■

转载注明来源:https://www.xzbu.com/3/view-715124.htm