仰望“上帝粒子”

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来源：南方周末
作者： 李淼 最后更新：2012-07-16 10:50:32

希格斯玻色子是一个不稳定的粒子,它在极短的时间内就衰变到其他粒子，实验学家必须通过测量这些衰变的粒子来观察希格斯玻色子。图为ATLAS 在2012年侦测到的一个希格斯玻色子衰变到4个缪子(muon)的候选事件。 （CERN网站/图）


虽然要完全证实新粒子就是人们期待已久的上帝粒子尚需时日，物理学家已经迫不及待地欢呼起来。这个发现必将成为人类理解大自然的里程碑之一。

见证历史时刻

2012年7月4日，欧洲夏令时上午9点，欧洲核子中心（CERN）的两场学术报告会和随后的新闻发布会吸引了全世界粒子物理学家的关注，同时也吸引了很多媒体和公众的关注。此前一周，网上已经开始流传各种猜测，猜测集中在欧洲核子中心的大型强子对撞机是否将宣布发现了希格斯粒子，即民间传说的“上帝粒子”。

7月4日，北京的一些粒子物理学家聚集在卡弗里理论物理所。此前，晚睡的我中午接到果壳网的微博私信，要我说明为什么相信今天的新闻发布就是关于发现上帝粒子。我答：第一，因为观测的粒子与自旋为零的中性粒子吻合；第二，信号增强了，根据该粒子衰变后的产物，要么是希格斯粒子，要么是它的姐妹，不论是什么都是大发现；第三，据传置信度是4.5个标准差以上。然后我吃了两枚鸡蛋，喝了一杯咖啡，就去卡弗里所，与我的同行们一起等候那历史性的一刻。同时，我在微博贴上几天前就贴在土豆网的几个介绍希格斯粒子的通俗视频。

下午一点半，高能物理所的高杰教授开始介绍中国将加入建设的直线加速器的情况。这台加速器是为了研究大型强子对撞机将获得的发现的更加具体细节。我无心听讲，开始调试欧洲核子中心的直播视频，同时瞄一眼微博，再瞄一眼兴奋的高杰教授。其余人鸦雀无声。视频上，欧洲核子中心那边各色人等陆续进场，实验物理学家、理论物理学家以及新闻记者。我看到希格斯本人进场了，还有我的朋友古拉尔尼克（Gerry Guralnik），他是发现希格斯机制的六人之一。

下午三点，学术报告开始。第一个演讲者是CMS探测器的发言人英加德拉（Joe Incandela），来自加州圣芭芭拉分校（我的第一个博士后站点）。三点四十分，关键的PPT打出来了：确实是发现！结合新粒子的两种衰变渠道，证据达到五个标准差，也就是99.99994%的可信度。欧洲核子中心那边全场掌声雷动，我的眼睛湿了，继续发微博。

三点五十分，ATLAS探测器发言人吉奥诺蒂（Fabiola Gianotti）开始演讲。过程是：致谢，技术细节，技术细节……她面部表情一直很严肃，难道ATLAS的结果不好？大家不吭声，但心情难以平静。四点三十五分，关键的PPT出来了，同样是五个标准差，吉奥诺蒂还没开始解释，那边再次全场掌声雷动，这是发现！这两个独立探测器的结果完全相洽，在125.5GeV左右发现了一个新粒子，衰变的几种方式没有太大区别。

那边的报告结束了，接着是新闻发布会。而这边，我们打开了两瓶香槟庆祝。这两瓶当然是事先准备好的，但是任何人都没有料到有机会打开——虽然我料到了。这是基础物理学近三十年最重要的发现之一。我们一起度过了这一历史时刻。

我在《南方周末》2012年2月2日那期题为《2012年：物理学的突破年？》的文章中“预言”了希格斯粒子将在今年被发现，或者说，将在大型强子对撞机中质子对质子的高能量、密集的对撞中不得不现身。作为物理学家，多数人会持更加谨慎的态度，而我向来乐观——一种基于理性判断的乐观。

其实，我那时的判断还有点谨慎了，我在文章中认为上帝粒子一定在年底之前被欧洲核子中心的两个探测器同时发现——这两个探测器分别拥有三千多名科学家，而7月4日的学术报告已经说明这两个探测器毫无疑问地发现了一个新粒子，这个新粒子在很多方面的行为都像上帝粒子。

要验证这个粒子确确实实就是物理学家期待已久的上帝粒子，在大型强子对撞机上工作的物理学家们还需要验证这个粒子的几个关键性质才能肯定。虽然两位报告人没有说它就是上帝粒子，但欧洲核子中心的主任霍耶尔（Rolf Heuer）在新闻发布会上对记者说：“我想我们已经发现了它。”

不论它是希格斯粒子，还是很像希格斯粒子的另一个新粒子，这个发现必将载入史册。

上帝粒子与标准模型

是著名物理学家温伯格的工作让希格斯粒子在物理学中占据重要位置。1967年，温伯格发表了一篇划时代论文。在这篇论文中，温伯格假定弱相互作用（即引起β衰变的作用）与电磁作用类似，是以类似光子的中间玻色子传播的。

我们知道，光子没有质量，所以可以传播得很远，同时这也是电磁场有这么大应用的原因（从照明到电脑到GPS定位）。但弱作用与电磁作用不同，不仅很微弱，而且传播得不远，其传播距离只有10-16米。这个超短距离的相互作用只能用质量很大的粒子来传播，这种粒子叫中间玻色子，共有三种，两种带电，一种不带电。

温伯格清楚地知道，如果我们像用电磁场传递电磁作用那样直接用中间玻色子来传递弱作用，可以很成功，而且它们的质量通过已有的弱作用现象就能测定，但是，这个理论并不自洽。在没有办法的情况下，他就用希格斯等人的办法，从无质量的中间玻色子出发，这些场就是杨-米尔斯场，这些场吃掉南部粒子变成中间玻色子，代价是多出了有质量的希格斯粒子。这个代价不小，因为希格斯粒子在当时的弱作用实验中并没有任何位置。

温伯格的模型不仅解释了弱作用，同时将弱作用和电磁相互作用放在了一个统一的理论里，这就是著名的弱电统一理论。1974年，欧洲核子中心验证这个理论的一个预言，温伯格以及另外两位对弱电统一有贡献的物理学家在1979年获得诺贝尔物理学奖。那一年，我在北京大学上大二，在北大的新华书店买到了介绍这个诺贝尔奖的一期杂志。

在弱电统一理论中，有四个希格斯场，三个被中间玻色子“吞并”，剩下一个不带电、有质量无自旋，但我们在轰出这个粒子之前对它的质量无法做出限制。希格斯粒子之所以被莱德曼（Leon Lederman）称为上帝粒子，原因还不是它难以发现或赋予中间玻色子以质量，而是它同时还赋予所有物质粒子以质量。

1983年，位于欧洲核子中心的超级质子加速器发现了三种中间玻色子。领导这个实验的意大利物理学家卡洛·卢比亚以及荷兰物理学家范德梅尔很快于次年获得诺贝尔奖。

然而，那个希格斯粒子却隐藏得很深。在过去的48年间，物理学家通过各种努力，没有发现希格斯粒子，尽管希格斯本人因其他人的工作从寂寂无名变成一个著名物理学家。



ATLAS探测器女发言人吉奥诺蒂与希格斯拥抱在一起，庆祝这一伟大发现。 （CFP/图）

三十年艰辛结出果实

1983年中间玻色子在欧洲核子中心现身后，物理学家在欧洲和美国继续做实验，其中著名的加速器就有超级质子加速器、大型正负电子加速器以及质子反质子太伏加速器。

超级质子加速器和大型正负电子加速器都属于欧洲核子中心，超级质子加速器与美国的质子反质子加速器有直接竞争，后者的能量超过了前者。超级质子加速器周长6.8千米，质子能量400GeV（1GeV=10亿电子伏）；美国的质子反质子加速器周长6.28千米，质子能量达到一千GeV。超级质子加速器发现了中间玻色子，之后企图发现顶夸克，这是标准模型中最重的粒子，比刚刚发现的疑似希格斯粒子还重，达173GeV。这个目标被费米实验室的质子反质子加速器实现了，时间是1995年。

这两台加速器都没有能够发现希格斯粒子，美国的加速器2011年光荣退役，但它的一个实验组在大型强子对撞机宣布发现疑似希格斯粒子后也公布了2.9个标准差的希格斯粒子实验证据，时间是我写本文的今天，2012年7月9日。

超级质子加速器做出了中间玻色子的杰出发现，仍然没有退休。先为大型正负电子对撞机初步加速正负电子，然后这些正负电子被注入大型正负电子对撞机；现在这台光荣机器为大型强子对撞机初步加速正负质子，然后正负质子才注入大型强子对撞机。

说到大型正负电子对撞机，有一段有趣的故事。这台机器运行了11年，在2000年不得不关闭为大型强子对撞机让路，因为后者要安置在同一个地下隧道里。大型正负电子对撞机的终极任务是轰出希格斯粒子，在2000年不得不承认这个任务超出它的能力，只提供了希格斯粒子质量一个下限：115GeV。但这台机器为精确检验标准模型做了不少重要的事情，例如将中间玻色子质量的测量精确到千分之一。甚至在关闭之前，它都在不遗余力地寻找希格斯粒子。

接替大型正负电子对撞机的大型强子对撞机的故事充满了传奇和惊险，我发表在《南方周末》的几篇文章都有提及，今天按下不表。单说发现疑似希格斯粒子。这项工作从2011年开始，计划在2012年年底结束。2011年12月份，在这台加速器上工作的两台探测器，ATLAS和CMS分别看到了希格斯粒子的踪影，证据的可信度大约是三个标准差，也就是99.7%左右。截至2012年6月中旬，两个探测积累的数据已经超过了去年，综合去年和今年的结果，它们发现了新粒子，质量是125.5GeV左右，置信度分别达到五个标准差。

我们终于松了口气，希格斯粒子，或者一个类似希格斯粒子的家伙，终于被抓获了。接下来，大型强子对撞机将运行到2012年12月中旬，在此期间检验新发现的粒子到底是不是希格斯粒子。然后，她要休整两年时间，2015年重新启动，那时，能量接近现在能量的两倍。我们将期待新的、更加重要的发现。



欧洲核子中心的物理学家们情不自禁地从座位上站起来，欢呼这一历史性的发现。 （CFP/图）

终场白和初步判断

从提出和设计大型强子对撞机到今天，经过二十五年的努力，数千名聪明又勤奋的物理学家没有异议地发现了一个新粒子，这个新粒子从各方面看上去都像那个上帝粒子，或更加学术地说，希格斯粒子。即使不是希格斯粒子，它在前面所述的希格斯机制中也占有一席位置。

像到什么程度？从7月5日开始，即欧洲核子中心的新闻发布会第二天，许多理论物理学家们开始在arXiv疯狂地贴文章。我罗列一下各种分析的结果。

有一篇论文说，这个粒子的衰变率和标准模型预言希格斯粒子的衰变率非常接近，接近到统计涨落只有七分之一。不过，这个疑似希格斯粒子衰变成两个光子的事例稍微多了一些。目前的数据量还不足以判断这点多余是真的，还是正常涨落。所以，我们说这个疑似对象就是希格斯粒子不算过分。

另一篇文章分析，假定这个粒子不是希格斯粒子，比希格斯粒子稍微复杂一点，也就是说，本来的四个希格斯场（被中间玻色子吃掉三个留下一个，共四个）不对，用六个希格斯场来代替，理论上似乎也说得过去，但是四个还是更好。

还有一篇文章分析，超对称貌似也与这个发现不矛盾。请注意，超对称是大型强子对撞机下一步发现的重要目标，这个理论预言自然界粒子数比我们看到的整整多了一倍。

第四篇论文分析了双光子衰变的情况，认为如果我们在标准模型里好好计算那个最难计算的相互作用——强作用，那么得到的结果正好是目前实验得到的结果。

第五篇文章，在我看来最重要，分析了复合希格斯粒子模型——在这些模型中，希格斯粒子不是基本粒子，而是由更加基本的粒子组合而成。这个文章得出结论，这些复合模型只有少数与实验融洽。这是我希望得到的结果，因为在超对称理论中，希格斯粒子是基本粒子，而且不算特别重，比较容易解释125.5GeV目前这个质量。

当然，还有更多的文章没有必要去总结了。我想提一下我们所的同事刘纯教授，从2011年开始，他一直忐忑不安，因为根据他的人择理论，希格斯粒子的质量最好在140GeV，这样，除了标准模型外，我们不会在更高的能量上发现新的物理现象。可惜上帝和上帝粒子不站在他的一边。我的这篇文章也受益于与他的经常性的讨论。

在结束本文时，我打两个赌。第一，新发现的粒子就是我们等了48年的希格斯粒子。第二，到年底，我们可能发现标准模型有一点点问题，而这一点点问题的修补会为我们打开一个全新的粒子新世界。

（作者系中科院理论物理研究所研究员）

http://www.infzm.com/content/78433

大型强子对撞机终于撞出东西了