十问“上帝粒子”：新发现背后的谜团

　 7月初，欧洲核子研究中心宣布发现了一种新粒子，其特征与号称“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合，引起了学界的轰动和社会的关注。但在新闻背后，感兴趣的读者或许会还冒出了不少问号：“上帝粒子”真是物理学家都梦寐以求的“圣杯”吗？它是否就隐藏在我们身边？为什么物理学大师霍金不相信它的存在？这次会不会又是一个类似“中微子超光速”的乌龙……带着这些疑问，科技日报记者采访了中国科学院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员陈国明。

　　科技日报：希格斯粒子为什么让物理学家如此关注？

　　陈国明：希格斯玻色子又称希格斯粒子，将它称为“上帝粒子”，是因为它是基本粒子的质量之源。

　　我们知道，物体由分子、原子构成，原子由质子、中子组成的原子核和绕核旋转的电子构成。而质子和中子都由夸克和胶子组成，夸克、胶子和电子等至今为止没有发现有更深层次的结构，因此被称为基本粒子。

　　简单地讲，有了希格斯粒子，基本粒子才有质量，有了质量才产生引力，才会有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。

　　科技日报：今天宇宙中一切物质的质量是否都来自希格斯粒子，“上帝粒子”的称号是否名副其实？

　　陈国明：“上帝粒子”只是个通俗说法，不能说希格斯粒子给一切物质赋予了质量。

　　按照物理学标准模型，物质的质量来自两部分，一部分是夸克、电子等基本粒子的质量；另一部分则是基本粒子相互作用产生的结合能，这部分占的比重其实还要更大。

　　另外在物理学标准模型的62种基本粒子中，其他61种都已被实验证实了存在，只有希格斯粒子这关键一环仍然悬而未决，它的难以捉摸也让研究者多了几分敬畏。

　　科技日报：希格斯粒子为什么这样难找？如果它们就存在于我们身边的话，为什么这么多年都捕获不到它们的踪迹？

　　陈国明：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。

　　而希格斯粒子的使命，在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了。现在物理学家要再次寻获希格斯粒子的踪迹，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，在实验室里重新“复活”希格斯粒子。

　　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，十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。

　　科学家只能通过观测这些粒子，反推它们会不会是希格斯粒子产生后又衰变出来的。

　　虽然时间仓促，但此次实验结果可信度足够高，而要确认“上帝粒子”现身可能还需继续投入巨资

　　科技日报：作为迄今最大、最昂贵的物理科研装置，大型强子对撞机（LHC）就是为了寻找希格斯粒子吗？为什么要造这么大的对撞机？

　　陈国明：LHC 位于瑞士与法国交界处，加速器轨道总长27公里，投资30.68亿瑞士法郎，设计能量达14万亿电子伏（14TeV）。LHC设有4个对撞点—— ATLAS、ALICE、CMS和LHCb，均有中国资金和学者的参与。其中两个主要实验ATLAS（超环面仪器）和CMS（紧凑缪子线圈）的目标，就是寻找希格斯粒子和其他新的物理现象。

　　对撞机的基本原理，是通过消耗大量能源给粒子加速，再让两束具有巨大动能的粒子对撞。能量越高，粒子相互轰击时发生的作用就越大，越容易产生希格斯粒子。此前费米实验室的Tevatron（万亿电子伏特加速器）和欧洲的电子对撞机从上世纪80年代开始运行，一直没找到希格斯粒子，后来发现就是因为能量太低。因此LHC从一开始就寄托着寻找希格斯粒子的最后希望。

　　科技日报：去年CERN格兰萨索实验室过早公布未经验证的“中微子超光速”错误结论，引起了学界的一些批评。这次CERN和费米实验室如此“高调”地公布发现新粒子，是否也有追求轰动效应，甚至说在欧债危机下争取公众支持、争取科研经费的考虑？

　　陈国明：此次所用的数据截止到今年6月中旬，而6月底就要完成数据处理，得出结论。这次公布结果，可以说在时间上确实很赶，很紧张，主要原因是为了在7月7日在澳大利亚开幕的世界物理学大会之前发布，在会上迎接全球同行的审议。另一方面恐怕也有争取公众支持的因素。

　　但与无心得出“中微子超光速”结论的OPERA项目不同，LHC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，而数据积累越多，实验灵敏度就越高，越有可能做出发现。应该说今年收获结果不算晚也不能算早，在预期时间之内。

　　此外，每个实验都从两个独立衰变到找到这个新粒子，而每个衰变道都有多个独立的研究小组得到一致的结果、CMS和ATLAS两个实验都取得了一致的研究结果，2012年的结果也与2011年的一致，加上确定性水平达到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。

　　至于美国费米实验室公布的结果，在灵敏度和价值上要低于LHC，而且他们的Teratron加速器去年底已经关闭了，这次是对以前数据重新分析。

　　科技日报：目前CERN也尚未确认这次发现的新粒子就是希格斯粒子，您认为要真正确认“上帝粒子”已经找到，还需要做哪些工作？

　　陈国明：虽然这次发现新粒子的一些特征，比如产率（出现几率）、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合，但现在统计性太少，还不能确定这个新粒子的各种特性，因此这次也可能发现的是另一种新粒子。

　　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，仍然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。不过要建这个对撞机，耗资会相当于数百亿人民币，跟LHC差不多，需要国际合作来实现。

　　并非所有物质理论模型都给“上帝粒子”留了位置，为了物理学的未来，必须搞清楚它的存在与否

　　科技日报：既然希格斯粒子被称为物理学家梦寐以求、苦苦寻觅的“圣杯”，为什么霍金此前坚持认为希格斯粒子不存在？为什么前几年寻找希格斯粒子的过程中，时常会出现一些怀疑之声？

　　陈国明：其实在物理学界，并不是所有人都相信希格斯粒子必定存在。像我是做实验物理的，此前也确实不完全相信它的存在。但毕竟希格斯粒子的存在与否，事关物理学标准模型的根基。无论相信、反对还是怀疑希格斯粒子的存在，大家都希望尽快把这个问题弄清楚，因此才会投入这么大的项目进行研究。

　　在理论物理学领域，标准模型并不是唯一的金科玉律。其他还有像超对称理论，认为存在多种希格斯粒子，且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，这种理论能把包括引力在内的自然界全部4种基本作用力统一起来，这是标准模型和超对称理论做不到的；但超弦理论中并没有希格斯粒子的位置。正因为这个，霍金才会出100美元跟人打赌说希格斯粒子并不存在，不过他打输了。

　　科技日报：如果这次能够确认发现了希格斯粒子，将对物理学有哪些意义？

　　陈国明：如果能证实这次发现的就是希格斯粒子，将是里程碑式的成就，使物理学迈出一大步。

　　粒子物理的标准模型之所以能被广泛接受，就是因为这个体系中的其他粒子都已经找到，和宇宙大爆炸也不冲突，证据基础非常扎实。而像超对称理论中预言每种已知的粒子都有一种伴子，但至今一种伴子都没有找到；超弦理论同样也没有证据。如果能确认希格斯粒子确实存在，物理学标准模型作为理论基础将更加坚实，从而推动物理学家探索其他前沿问题。

　　科技日报：当确认发现希格斯粒子之后，粒子物理学还要解释哪些悬而未决的问题？

　　陈国明：即使这次终于发现了希格斯粒子，仍远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。而根据现有理论，我们的宇宙组成中有73%是暗能量，23%是暗物质，只有4%是目前理论所能解释的物质。

　　此外，目前人们认为夸克和轻子是最基本的粒子，它们是否还由更小的粒子组成，是否能组成不同于质子、中子的其他形态，也还需要进一步的研究。

　　科技日报：如果证明希格斯粒子不存在，或者这次发现了一种不符合现有理论的新粒子，是否会像19世纪末催生量子力学和相对论的经典物理学“两朵乌云”（迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验）那样，给现代物理学体系带来革命性的冲击？

　　陈国明：这次发现的结果，并不能完全排除发现的是超对称希格斯粒子或其他的粒子。如果是这样，可能确实会给物理学理论体系造成不亚于类似“两朵乌云”的重大冲击，像媒体说的那样“大厦将倾”。不过，这次发现标准模型预言的希格斯粒子，概率还是很高的。

　　专家简介

　　陈国明

　　1958年生，浙江天台人，现为中国科学院高能物理研究所研究员。主要研究方向为粒子物理实验，目前参与国际空间站阿尔法磁谱仪（AMS）的反物质和暗物质研究、欧核中心大型强子对撞机的紧凑缪子线圈（CMS）项目。