歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部

２０１３年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒特和英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯，以表彰他們提出希格斯機(jī)制并成功預(yù)測(cè)希格斯玻色子的存在。對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)花落希格斯玻色子該如何解讀？發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子對(duì)人類認(rèn)識(shí)宇宙有什么重大意義？中國(guó)科學(xué)家對(duì)發(fā)現(xiàn)該粒子做出了哪些貢獻(xiàn)？近日，本報(bào)記者就這些問(wèn)題專訪了幾位中國(guó)物理學(xué)家。

等待近半個(gè)世紀(jì)

“實(shí)至名歸”和“期盼已久”，中科院院士、中科院高能物理研究所研究員陳和生用兩個(gè)詞來(lái)描述今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歸屬。他說(shuō)，被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型理論來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵粒子，經(jīng)全世界物理學(xué)家近半個(gè)世紀(jì)的努力才發(fā)現(xiàn)了它。

什么是標(biāo)準(zhǔn)模型？它是物理學(xué)用來(lái)解釋自然界最深層物質(zhì)結(jié)構(gòu)的粒子物理基本理論，它的成功被大量的高能物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但是，在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)之前，標(biāo)準(zhǔn)模型中解釋基本粒子質(zhì)量來(lái)源的希格斯粒子一直沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)上被觀測(cè)到，也使得希格斯粒子成為標(biāo)準(zhǔn)模型里唯一未被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的粒子。

“也正因如此，尋找希格斯粒子以解釋宇宙間物質(zhì)的質(zhì)量起源成為過(guò)去幾十年許多大型高能粒子物理實(shí)驗(yàn)的最重要物理目標(biāo)，而2012年在LHC的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，也被認(rèn)為是物理學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型建立后的近幾十年來(lái)最重要的發(fā)現(xiàn)?！盇TLAS國(guó)際合作組中國(guó)組負(fù)責(zé)人、中科院高能物理所研究員金山告訴記者。

歐洲核子研究中心去年７月宣布，該中心的兩個(gè)強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)——ＡＴＬＡＳ和ＣＭＳ項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，它的許多特征與希格斯玻色子一致。隨后該中心于今年３月稱，更多數(shù)據(jù)分析表明“它就是希格斯玻色子”。

沒(méi)有“上帝粒子”就沒(méi)有宇宙

據(jù)中科院高能物理所研究員張新民介紹，希格斯粒子是一種構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的基本粒子，其他的基本粒子包括夸克和輕子以及傳遞他們之間相互作用的規(guī)范玻色子，但希格斯粒子與這些基本粒子不同。“沒(méi)有它，其他基本粒子都是沒(méi)有質(zhì)量的， 都將以光速在運(yùn)動(dòng)，會(huì)聚集不起來(lái)，形不成今天看到的宇宙，更談不上生命?？梢哉f(shuō)希格斯粒子是我們宇宙萬(wàn)物形成的基礎(chǔ)，是質(zhì)量產(chǎn)生之源。”

當(dāng)公眾沉浸在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的興奮中時(shí)，冷靜的科學(xué)家提醒道，它是重大進(jìn)展，卻并非終點(diǎn)。

在當(dāng)下的討論中，希格斯粒子常和宇宙學(xué)研究聯(lián)系在一起。對(duì)此，陳和生認(rèn)為，討論希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙學(xué)研究的具體影響還為時(shí)尚早?！艾F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的是希格斯粒子，但它到底是標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，還是超對(duì)稱模型的粒子，這有待進(jìn)一步研究。如果被證明是后者，那可以解釋暗物質(zhì)?！?/p>

張新民說(shuō)，目前還不能解釋希格斯粒子為什么比質(zhì)子重125倍。理論計(jì)算表明，對(duì)于這樣重的希格斯粒子，宇宙是不穩(wěn)定的，將在數(shù)十億年以后毀滅。這說(shuō)明，目前的理論模型還要進(jìn)一步完善，還需要進(jìn)一步研究希格斯粒子 。

張新民同時(shí)強(qiáng)調(diào)：“更重要的是，除可見(jiàn)物質(zhì)外，宇宙中其他的95%是暗物質(zhì)和暗能量，超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。所以，發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，是粒子物理學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展，但不是終結(jié)。”

對(duì)于希格斯粒子的進(jìn)一步研究，在金山看來(lái)，研究希格斯粒子的性質(zhì)以及在LHC實(shí)驗(yàn)中尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理信號(hào)尤其是尋找超對(duì)稱粒子,成為今后高能粒子物理實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)家功不可沒(méi)

在全世界將目光投向神秘的“上帝粒子”時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在尋覓其蹤影的征程上，也有中國(guó)科學(xué)家的身影。“從探測(cè)器建造到數(shù)據(jù)分析，中國(guó)科學(xué)家做出了重要貢獻(xiàn)?！标惡蜕f(shuō)。

發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)是目前世界上規(guī)模最大的高能物理實(shí)驗(yàn)，每個(gè)合作組有約3000名成員。在科技部、中科院等支持下,一批中國(guó)科學(xué)家參加了這兩個(gè)大型實(shí)驗(yàn)。

據(jù)金山介紹，ATLAS中國(guó)組在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的3個(gè)主要衰變道的物理分析中做出了直接貢獻(xiàn)，CMS中國(guó)組則承擔(dān)了繆子探測(cè)器的建造任務(wù)。

“我們承擔(dān)一部分探測(cè)器的建造任務(wù)，得到了很高的國(guó)際評(píng)價(jià)。此外，中國(guó)專家在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中提出來(lái)的一些分析方案，對(duì)分析結(jié)果起了很大作用?！睂?duì)于分析的難度，陳和生打了一個(gè)形象的比喻：“就像從一大堆沙子里挑一粒金沙?！?/p>

金山認(rèn)為，中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)說(shuō)明我們有能力參與世界最前沿的大型實(shí)驗(yàn)的合作與競(jìng)爭(zhēng)，并對(duì)人類文明進(jìn)步的重大成果做出貢獻(xiàn)。他坦言，如果能夠在中國(guó)建造一個(gè)周長(zhǎng)為50公里-70公里、能量為250GeV左右的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)“希格斯粒子工廠”，并在將來(lái)能夠升級(jí)到能量是50TeV左右的超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，就能使我國(guó)在研究希格斯粒子性質(zhì)和尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理領(lǐng)域占有全面國(guó)際領(lǐng)先地位。（原標(biāo)題：中國(guó)期待建廠捕捉“上帝粒子” 趙曉霞 來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)海外版）