7月4日，全世界的目光都投向了位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）。

在當(dāng)天下午舉行的發(fā)布會(huì)上，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）兩個(gè)探測(cè)器的主管分別宣布，他們找到了一種新的亞原子粒子，這種粒子很可能就是物理學(xué)家們苦苦尋找了近半個(gè)世紀(jì)，被科學(xué)界稱(chēng)為“上帝粒子”的希格斯玻色子。

這是一場(chǎng)激動(dòng)人心的發(fā)布會(huì)。歐洲核子研究中心CMS團(tuán)隊(duì)發(fā)言人喬·因坎德拉將他們的發(fā)現(xiàn)描述為“在過(guò)去30甚至40年間最大的新發(fā)現(xiàn)之一”。

這可能意味著，標(biāo)準(zhǔn)模型理論中所預(yù)言的62種基本粒子已經(jīng)全部找到，標(biāo)準(zhǔn)模型完成了最后一塊的拼圖。

48年前，英國(guó)科學(xué)家皮特·希格斯預(yù)言了希格斯玻色子的存在，如今的他已經(jīng)83歲高齡。當(dāng)結(jié)果宣布時(shí)，他流下了激動(dòng)的淚水，并表示：“這真的是我生命中最不可思議的奇跡?！痹诎l(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，英國(guó)物理學(xué)會(huì)主席彼得·奈特說(shuō)，此次LHC的成就與發(fā)現(xiàn)DNA和登陸月球相當(dāng)。

在接受南方日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)，研究粒子物理的中山大學(xué)副教授張宏浩表示，“粒子物理界好久沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新粒子了，之前做的實(shí)驗(yàn)一直是在排除希格斯粒子不存在的區(qū)間，而這一次是真正的發(fā)現(xiàn)。”

基本粒子質(zhì)量之源

若沒(méi)有希格斯粒子，其他基本粒子就會(huì)仍以光速運(yùn)行，宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，不能組成物質(zhì)，生命無(wú)從談起

希格斯粒子究竟是什么？為什么找到它如此重要？

早在2000多年前，人類(lèi)便開(kāi)始追問(wèn)，我們所生活的世界是怎樣形成的？從德謨克利特的“原子說(shuō)”到如今被科學(xué)家普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)模型理論，從樸素的形而上學(xué)概念到標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的粒子陸續(xù)被證實(shí)，人類(lèi)似乎越來(lái)越接近這一問(wèn)題的答案。

在標(biāo)準(zhǔn)模型里，宇宙由62種不可再分的基本粒子構(gòu)成，通過(guò)強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復(fù)合粒子，進(jìn)而構(gòu)成物質(zhì)世界。

基本粒子可以分為兩大類(lèi)：自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子（fermion）和自旋為整數(shù)的玻色子（boson）。費(fèi)米子是構(gòu)成物質(zhì)“實(shí)體”的粒子，也稱(chēng)之為物質(zhì)粒子，而玻色子則傳遞基本相互作用，也可稱(chēng)為載力粒子。

然而在標(biāo)準(zhǔn)模型建立過(guò)程中，有一個(gè)問(wèn)題卻一直困擾著科學(xué)家：按照標(biāo)準(zhǔn)模型理論，基本粒子并沒(méi)有質(zhì)量，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有質(zhì)量的。

1964年，希格斯等人提出了“希格斯機(jī)制”的概念，在理論上解決了這個(gè)問(wèn)題。希格斯們認(rèn)為宇宙間遍布“希格斯場(chǎng)”，基本粒子在與希格斯場(chǎng)的相互作用下獲得了質(zhì)量，而形成希格斯場(chǎng)的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子。

根據(jù)對(duì)希格斯粒子性質(zhì)的預(yù)言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子，所以又把希格斯粒子稱(chēng)為希格斯玻色子。

希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，并沒(méi)有希格斯粒子的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫沖直撞。宇宙誕生十幾秒后，希格斯粒子誕生，形成了“希格斯場(chǎng)”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發(fā)生碰撞后，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質(zhì)量，而速度就慢下來(lái)了。

慢下來(lái)的基本粒子“夸克”在強(qiáng)相互作用下，抱團(tuán)組成了質(zhì)子、中子等粒子，質(zhì)子和中子又組成了原子核，原子核與電子在電磁力作用下又形成了原子，原子構(gòu)成分子，由此形成了我們所見(jiàn)到的大千世界。

如果沒(méi)有希格斯粒子，其他的基本粒子就會(huì)仍然以光速運(yùn)行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質(zhì)，生命也無(wú)從談起。

希格斯玻色子的存在是希格斯機(jī)制的必然結(jié)果之一，假若實(shí)驗(yàn)證實(shí)希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機(jī)制極大的肯定。更重要的是，它的發(fā)現(xiàn)彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的缺漏，奠定了標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)。

由于希格斯粒子一直未被發(fā)現(xiàn)，這些重要的問(wèn)題一直懸而未決。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言的最后一個(gè)粒子便一直成為科學(xué)家們苦苦追求的目標(biāo)。

等等，萬(wàn)一希格斯理論被證明是錯(cuò)誤的，希格斯粒子根本就不存在呢？

曾獲諾貝爾獎(jiǎng)的著名粒子物理學(xué)家萊德曼表示，如果這樣，標(biāo)準(zhǔn)模型理論將被推翻，至少需要進(jìn)行修改。他表示，“這就像哥倫布啟程去尋找印度群島一樣，他和他的信徒們相信，如果沒(méi)有達(dá)到目的，他也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些別的東西，這些東西可能會(huì)更有意義?！?/p>

在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，很多科學(xué)家反倒有些失望，畢竟找到一個(gè)48年前就被預(yù)言了的“老粒子”多少有些無(wú)趣，他們期盼的是更為顛覆性的發(fā)現(xiàn)：假如標(biāo)準(zhǔn)模型被推翻，整個(gè)物理世界的理論都有可能要重新改寫(xiě)。

追尋上帝粒子身影

質(zhì)子束在全長(zhǎng)27公里的環(huán)形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆后相撞，這一刻就像宇宙大爆炸，釋放大量能量和基本粒子

美國(guó)物理學(xué)家、1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者利昂·萊德曼在《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么問(wèn)題是什么？》一書(shū)中將希格斯玻色子稱(chēng)作是“上帝粒子”（The God Particle）。

萊德曼說(shuō)他以“上帝粒子”為這粒子命名是因?yàn)檫@粒子“在當(dāng)今物理學(xué)中處于極為中心的位置，對(duì)我們理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵、也極為難以捉摸”。

不過(guò)他在書(shū)中也開(kāi)玩笑地說(shuō)，“圖書(shū)出版商不讓他把這粒子稱(chēng)作‘該死的粒子’（Goddamn Particle）”。這句粗口，可能更恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)了人們?yōu)檎覍は８袼共Ｉ佣冻龅拇鷥r(jià)與遭受到的挫折。

雖然科學(xué)家們?cè)缇皖A(yù)言了希格斯粒子的存在，為什么尋找了快半個(gè)世紀(jì)才找到它？

張宏浩解釋?zhuān)饕蛟谟跇?biāo)準(zhǔn)模型對(duì)希格斯粒子的質(zhì)量并沒(méi)有確定的預(yù)言，泛泛地尋找它非常困難；另外，希格斯粒子的質(zhì)量很大，以往的粒子對(duì)撞機(jī)能量還不夠大，還不足以把它“撞出來(lái)”。

之前在認(rèn)真尋找希格斯粒子的對(duì)撞機(jī)只有大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEPII和美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子－反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Tevatron，這兩個(gè)對(duì)撞機(jī)都沒(méi)有找到希格斯粒子。

著名物理學(xué)家溫伯格認(rèn)為，只要能夠建造能量足夠大的加速器，就一定可以找到這個(gè)最后的粒子。為了發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，也為了探索宇宙起源，包括中國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)共同資助了歐洲核子研究中心興建了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。

依賴(lài)LHC更高能量的加速器和更超級(jí)的探測(cè)器，CERN終于成功捕獲“上帝粒子”的身影。

LHC位于瑞士和法國(guó)邊境地區(qū)地下50-150m米深的隧道中，環(huán)形隧道長(zhǎng)達(dá)27公里。質(zhì)子束在全長(zhǎng)27公里的環(huán)形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆然后相撞，在極細(xì)微的空間爆發(fā)如十萬(wàn)倍太陽(yáng)溫度的超級(jí)高溫。這一刻就像宇宙大爆炸之時(shí)，釋放大量能量和基本粒子，冷卻后形成組成物質(zhì)的質(zhì)子和中子，希格斯粒子就有可能產(chǎn)生在其中。

即使“撞出”希格斯粒子后，還有一個(gè)很麻煩的問(wèn)題是，希格斯玻色子無(wú)法直接觀(guān)測(cè)到，只能通過(guò)觀(guān)測(cè)到某種粒子衰變之后產(chǎn)生的光子等其他粒子，反推這些光子會(huì)不會(huì)是粒子碰撞產(chǎn)生的希格斯玻色子衰變出來(lái)的。

然而每1012次的質(zhì)子對(duì)撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯粒子。更加困難的是，這種粒子一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，在碰撞后10億分之一秒的時(shí)間內(nèi)衰變，因此要想捕捉到它極不容易，需要進(jìn)行足夠次數(shù)的相撞，并進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析。

為了尋找希格斯粒子，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏特加速器（Tevatron）運(yùn)行了26年，期間發(fā)現(xiàn)了新粒子“頂夸克”，也逐漸逼近了希格斯粒子的“活動(dòng)范圍”，但希格斯玻色子仍難覓蹤影。

張宏浩介紹，LHC能達(dá)到的能量級(jí)已經(jīng)足夠大，大到可以做“裁判”了：如果真有希格斯粒子存在，它一定能探測(cè)到，不像以往的實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在漏網(wǎng)的可能性；反過(guò)來(lái)，如果它仍然不能探測(cè)到希格斯粒子，就說(shuō)明這東西根本不存在。

在LHC自2010年開(kāi)始高達(dá)3.5TeV的能量運(yùn)作之后，CMS與ATLAS兩個(gè)探測(cè)器都屢次觀(guān)測(cè)到了希格斯粒子存在的跡象。但經(jīng)過(guò)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果都不能成為上帝粒子存在的有力證據(jù)。

經(jīng)過(guò)了足夠多次數(shù)的觀(guān)測(cè)，歐洲原子核能中心最終確信自己已經(jīng)找到了“上帝粒子”。在發(fā)布會(huì)上，CMS宣布發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為125.3±0.6 GeV/c2的新玻色子，標(biāo)準(zhǔn)差為4.9；ATLAS發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為126.5GeV的玻色子，與模擬重建事件能量的標(biāo)準(zhǔn)差為4.6。這樣的標(biāo)準(zhǔn)差，幾乎可以強(qiáng)有力地說(shuō)明新粒子被發(fā)現(xiàn)。

不過(guò)CERN的科學(xué)家們?nèi)猿忠环N審慎的態(tài)度。CERN所長(zhǎng)說(shuō)：“從一個(gè)外行人的角度來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子了；但從一個(gè)內(nèi)行的角度來(lái)說(shuō)，我們還需要更多的數(shù)據(jù)?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)模型或被超越

標(biāo)準(zhǔn)模型只能解釋4%的宇宙，占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)與暗能量仍然沒(méi)有得到解釋?zhuān)８袼共Ｉ涌赡軙?huì)參與形成暗物質(zhì)

利物浦大學(xué)粒子物理系主任瑟密斯·布考克則稱(chēng)，對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這次發(fā)現(xiàn)就像哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸。

“這是一項(xiàng)無(wú)與倫比的成就?！眳⑴c歐洲LHC工作的加州理工學(xué)院物理學(xué)教授瑪麗亞·斯皮羅普盧說(shuō)，全球范圍內(nèi)，各大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的粒子物理學(xué)家、工程師、技術(shù)人員已為這一時(shí)刻的到來(lái)努力工作了數(shù)十載。

但它只是一個(gè)開(kāi)始。今后，首先要做的就是衡量新粒子的量子屬性，確定它是否是標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯玻色子。

“當(dāng)然它也很可能是一個(gè)人們從未預(yù)想到的全新理論中的粒子，我們更希望是這種情形，這樣在科學(xué)上將意味著更大的突破?！睆埡旰票硎?。

由于標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的未知粒子可能會(huì)干擾相關(guān)的量子力學(xué)行為，不僅會(huì)在對(duì)希格斯粒子的分辨上混淆視聽(tīng)，還會(huì)對(duì)希格斯粒子的反應(yīng)道，包括了產(chǎn)生和衰變的有所影響?？茖W(xué)家們需要精確觀(guān)測(cè)這種粒子在LHC的探測(cè)器中產(chǎn)生和衰變的不同方式。

張宏浩介紹，歐洲核子研究中心針對(duì)此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的論文還未發(fā)表，可能要等到7月底，目前還在進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析工作，“到時(shí)公布的數(shù)據(jù)和結(jié)果將更為重要，決定了標(biāo)準(zhǔn)模型將被確證還是會(huì)被超越?！?/p>

即便希格斯玻色子的終于發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)上了物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，仍不意味著粒子物理學(xué)畫(huà)上圓滿(mǎn)的句號(hào)。

發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，只是穩(wěn)固了既有理論體系的基礎(chǔ)，證明了標(biāo)準(zhǔn)模型理論的可靠性，而在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，科學(xué)家尋求最終的大一統(tǒng)的物理理論，還有很長(zhǎng)的路要走。

這是因?yàn)?，物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型本身也并非解釋物質(zhì)世界一切奧秘的“終極理論”。盡管物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了電磁力和強(qiáng)核力之類(lèi)的基本作用力，但由于引力的作用實(shí)在太過(guò)微弱，到目前為止，一切試圖將引力統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)的努力都失敗了。

另外對(duì)于暗能量、中微子質(zhì)量、物質(zhì)與反物質(zhì)不平行等領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)模型也無(wú)能為力。這些將涉及更高層面的統(tǒng)一理論和更高維度，更高能量，甚至弦理論（string theory）。

在標(biāo)準(zhǔn)模型之外，早就有科學(xué)家提出了“超對(duì)稱(chēng)理論”、“弦理論”等萬(wàn)有理論，能夠解決這些標(biāo)準(zhǔn)模型所不能解釋的問(wèn)題。比如對(duì)于引力，弦理論解釋稱(chēng)，我們只感受到了一小部分引力，引力絕大多數(shù)都作用在隱藏的其他維度之中。

在對(duì)更“大一統(tǒng)”理論的尋求中，希格斯玻色子也將起到舉足輕重的作用。對(duì)希格斯玻色子量子屬性的研究，可進(jìn)一步修正標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，對(duì)新的理論的提出貢獻(xiàn)現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

研究表明，我們目前所認(rèn)知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物質(zhì)占了23%，還有73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。而希格斯玻色子既可能與標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子相互作用，也可能會(huì)與詭秘的大質(zhì)量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質(zhì)。這在近期天文物理學(xué)研究領(lǐng)域里，是很重要的論題。

“別忘了，標(biāo)準(zhǔn)模型只能解釋4%的宇宙，”歐洲核子研究中心的負(fù)責(zé)人羅爾夫·霍耶爾認(rèn)為，占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)與暗能量仍然沒(méi)有得到解釋?zhuān)拔覀冞€有很長(zhǎng)的路要走”。

要獲取更多的信息，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的各種實(shí)驗(yàn)還要不停做下去，而且還要提高能力級(jí)別。預(yù)計(jì)在2013年，LHC會(huì)達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷14萬(wàn)億電子伏特運(yùn)轉(zhuǎn)，是現(xiàn)在的兩倍。

參與研究的中國(guó)科學(xué)家劉衍文——

發(fā)現(xiàn)上帝粒子比登上月球更重要

宇宙萬(wàn)物皆有質(zhì)量，但質(zhì)量的來(lái)源是什么？隨著歐洲核子中心日前宣布很可能發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”，這個(gè)終極問(wèn)題有望得到解答。為了詳細(xì)了解“上帝粒子”及中國(guó)科學(xué)家參與研究的情況，記者采訪(fǎng)了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授劉衍文。

構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的最小物質(zhì)單位是基本粒子，包括夸克、電子等，而要解釋這些基本粒子的質(zhì)量來(lái)源，必須找到最后一種基本粒子：被稱(chēng)作“上帝粒子”的希格斯（Higgs）粒子。過(guò)去30年，全球粒子物理學(xué)家都在苦苦追尋“上帝粒子”的蹤跡，位于瑞士日內(nèi)瓦市郊的歐洲核子中心與美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是兩個(gè)主要研究平臺(tái)。

畢業(yè)于中科大少年班的劉衍文，從1999年起進(jìn)入日內(nèi)瓦大學(xué)攻讀博士，此后一直在歐洲核子中心與美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室參與科研。2008年，歐洲核子中心建成啟用了全球能量最大的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，來(lái)自幾十個(gè)國(guó)家的數(shù)千名學(xué)者參與研究。作為來(lái)自中國(guó)的學(xué)者之一，劉衍文從參與分析第一批數(shù)據(jù)開(kāi)始，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)“疑似上帝粒子”的全過(guò)程。

“新粒子不是一下子發(fā)現(xiàn)的，是長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累的結(jié)果?！睋?jù)劉衍文介紹，在前3年上億次數(shù)據(jù)采集、分析的基礎(chǔ)上，歐洲核子中心的科學(xué)家們?cè)?011年逐漸發(fā)現(xiàn)了一些新粒子存在的跡象?！暗?012年數(shù)據(jù)中新信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性可以讓人信服，新粒子是確實(shí)存在的?！?/p>

2012年6月下旬，歐洲核子中心內(nèi)部決定在7月4日公布這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。“從對(duì)撞機(jī)上取下最后一批數(shù)據(jù)，分析出結(jié)果，再在3000多人的合作組內(nèi)通過(guò)評(píng)審，留給科學(xué)家的時(shí)間實(shí)際上只有兩周。”劉衍文說(shuō)，工作強(qiáng)度非常大，很多人都有連續(xù)工作通宵的經(jīng)歷。

“目前宣布的這種新粒子，表現(xiàn)出的特征與理論預(yù)期極為接近，但從科學(xué)角度還不能100％斷定它就是‘上帝粒子’。”劉衍文透露，歐洲核子中心將從2013年起把對(duì)撞機(jī)能量從8TeV提高到14TeV，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量其性質(zhì)。

“如果最終確認(rèn)為‘上帝粒子’，那么這將是人類(lèi)探索自然過(guò)程中的一大步，使我們能站在一個(gè)新的高度，思考我們身處的這個(gè)宇宙?！眲⒀芪恼f(shuō)，基礎(chǔ)科學(xué)的每一個(gè)重要進(jìn)步，都有可能大大推動(dòng)應(yīng)用科研的發(fā)展?！皬目茖W(xué)意義上講，發(fā)現(xiàn)‘上帝粒子’比人類(lèi)登上月球更重要?！?/p>

在歐洲核子中心的ATLAS和CMS兩大研究組，共有來(lái)自世界各國(guó)的7000多名科學(xué)家參與工作?！耙虼耍茈y說(shuō)這種新粒子是由哪個(gè)國(guó)家或者哪個(gè)人發(fā)現(xiàn)的。”劉衍文認(rèn)為，這個(gè)成果應(yīng)該屬于全人類(lèi)。

據(jù)了解，在歐洲核子中心參與研究的中國(guó)科學(xué)家來(lái)自五個(gè)科研單位，分別是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院高能物理研究所、北京大學(xué)、南京大學(xué)與山東大學(xué)。中國(guó)科研人員約占中心總?cè)藬?shù)的百分之一，其中來(lái)自中科大的團(tuán)隊(duì)人數(shù)最多，達(dá)到20人。

為尋找“上帝粒子”，中國(guó)科學(xué)家在儀器研制、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)分析等方面作出了重要貢獻(xiàn)，在歐洲核子中心贏(yíng)得了良好的國(guó)家聲譽(yù)?！皻W洲核子中心給所有的外來(lái)學(xué)者提供工作環(huán)境，但不發(fā)工資?！眲⒀芪恼f(shuō)，中國(guó)學(xué)者們的經(jīng)費(fèi)都來(lái)自于科技部、中科院與國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)?！拔覀兡艽碇袊?guó)參與這一全球重大科研活動(dòng)，背后是國(guó)家力量的長(zhǎng)期支持?！?