7月初,歐洲核子研究中心宣布發現了一種新粒子,其特征與號稱“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合,引起了學界的轟動和社會的關注。
但在新聞背后,感興趣的讀者或許會還冒出了不少問號:“上帝粒子”真是物理學家都夢寐以求的“圣杯”嗎?它是否就隱藏在我們身邊?為什么物理學大師霍金不相信它的存在?這次會不會又是一個類似“中微子超光速”的烏龍……帶著這些疑問,科技日報記者采訪了中國科學院高能物理研究所研究員、參與尋找希格斯玻色子的歐核中心CMS項目中國組成員陳國明。
“上帝粒子”并非一切物質的質量之源,而且只存在于宇宙大爆炸初期,科學家是要在實驗室里“復活”它
科技日報:希格斯粒子為什么讓物理學家如此關注?
陳國明:希格斯玻色子又稱希格斯粒子,將它稱為“上帝粒子”,是因為它是基本粒子的質量之源。
我們知道,物體由分子、原子構成,原子由質子、中子組成的原子核和繞核旋轉的電子構成。而質子和中子都由夸克和膠子組成,夸克、膠子和電子等至今為止沒有發現有更深層次的結構,因此被稱為基本粒子。
簡單地講,有了希格斯粒子,基本粒子才有質量,有了質量才產生引力,才會有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。
科技日報:今天宇宙中一切物質的質量是否都來自希格斯粒子,“上帝粒子”的稱號是否名副其實?
陳國明:“上帝粒子”只是個通俗說法,不能說希格斯粒子給一切物質賦予了質量。
按照物理學標準模型,物質的質量來自兩部分,一部分是夸克、電子等基本粒子的質量;另一部分則是基本粒子相互作用產生的結合能,這部分占的比重其實還要更大。
另外在物理學標準模型的62種基本粒子中,其他61種都已被實驗證實了存在,只有希格斯粒子這關鍵一環仍然懸而未決,它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。
科技日報:希格斯粒子為什么這樣難找?如果它們就存在于我們身邊的話,為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡?
陳國明:根據物理學標準模型和大爆炸理論,我們的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸剛發生時,無數的正反粒子同時產生,輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質量。這些粒子凝聚成物質,通過長時間的演化形成了星系。
而希格斯粒子的使命,在137億年前的宇宙大爆炸初始就已經完成了。現在物理學家要再次尋獲希格斯粒子的蹤跡,就只有建造能量強大的對撞機,在里面給兩束高能粒子進行加速、對撞,來模擬宇宙開始的時刻,在實驗室里重新“復活”希格斯粒子。
然而每1012次的質子對撞,才可能產生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中,有一顆是金沙,需要找出來。更麻煩的是,這種粒子一旦產生就轉瞬即逝,十億分之一秒后就會衰變成光子和強子等其他粒子。
科學家只能通過觀測這些粒子,反推它們會不會是希格斯粒子產生后又衰變出來的。
雖然時間倉促,但此次實驗結果可信度足夠高,而要確認“上帝粒子”現身可能還需繼續投入巨資
科技日報:作為迄今最大、最昂貴的物理科研裝置,大型強子對撞機(LHC)就是為了尋找希格斯粒子嗎?為什么要造這么大的對撞機?
陳國明:LHC位于瑞士與法國交界處,加速器軌道總長27公里,投資30.68億瑞士法郎,設計能量達14萬億電子伏(14TeV)。LHC設有4個對撞點——ATLAS、ALICE、CMS和LHCb,均有中國資金和學者的參與。其中兩個主要實驗ATLAS(超環面儀器)和CMS(緊湊繆子線圈)的目標,就是尋找希格斯粒子和其他新的物理現象。