發現“上帝粒子”
科學前沿
作者：雲凡
今年7月4日，位於日內瓦的歐洲原子核能中心向全世界宣布，找到一種新亞原子粒子，這種粒子與之前預言構成質量的“上帝粒子”即希格斯玻色子特征一致。對於物理學家來說，這次發現就像“哥倫布發現美洲大陸”。
“上帝粒子”為什麼是質量之源？
物質有質量，這是眾所周知的事實。問題是，物質為什麼有質量？這個問題牽扯到粒子物理學。科學家認為，自然界中物體之間的相互作用可劃分為4種力：引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用。在愛因斯坦相對論解決了引力問題後，人們開始嚐試建立統一的模型，以期解釋通過後3種力相互作用的所有粒子。為此，科學家建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學理論，該理論把基本粒子分成3大類：誇克、輕子和玻色子。但這個標準模型有個缺陷：無法解釋物質質量來源等問題。
為了修補這一理論的缺陷，1964年，英國愛丁堡大學物理學家希格斯提出“希格斯場”的存在，並進而預言希格斯玻色子的存在。希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，並沒有希格斯玻色子（也稱希格斯粒子）的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫衝直撞。宇宙誕生十幾秒後，希格斯粒子誕生，形成了“希格斯場”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發生碰撞後，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質量，而速度就慢下來了。慢下來的基本粒子“誇克”在強相互作用下，抱團組成了質子、中子等粒子，質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，原子構成分子，由此形成了我們所見到的大千世界。如果沒有希格斯粒子，其他的基本粒子就會仍然以光速運行，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，生命也無從談起。所以，希格斯玻色子又被稱為“上帝粒子”。
可是就是這樣一個叫人匪夷所思的模型，它的更神奇之處在於，基於這個理論的很多預言居然被一個又一個激動人心的實驗證實了。1995年3月2日，美國費米實驗室向全世界宣布他們發現了頂誇克時，“標準模型”所預言的62個基本粒子中的61個都已經得到了實驗數據的支持與驗證，看上去“標準模型”馬上就要獲得決定性的勝利，但是仍然有一個粒子，遊離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個幽靈，這就是希格斯粒子。
尋找“上帝粒子”的歐洲強子對撞機
為了尋找希格斯粒子，美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器運行了26年，期間發現了新粒子“頂誇克”，也逐漸逼近了希格斯粒子的“活動範圍”，但希格斯粒子仍難覓蹤影。為什麼尋找希格斯粒子這麼難？原因其實也很簡單：一個困難是，它極不穩定，如果確實存在，它將在碰撞後10億分之一秒的時間內衰變，因此要想捕捉到它極不容易。 其次，科學家認為，“上帝粒子”的質量非常大，因此需要能量足夠大的對撞機把它撞出來。歐洲核子研究中心1994年開始設計興建歐洲大型強子對撞機。2008年歐洲大型強子對撞機正式建成。
位於歐洲原子核能中心的大型強子對撞機是世界上最大的實驗裝置，它深埋在法國和瑞士的地下100米處，周長27千米。從外觀上看，強子對撞機就像個巨大的管道，它發射出質子，使其以接近光速的速度撞擊，從而得到撞擊時釋放出的電子、光子、誇克，以及偶爾撞出的希格斯粒子。這一刻就像宇宙大爆炸之後，釋放大量能量和基本粒子，冷卻後形成組成物質的質子和中子，希格斯粒子就有可能產生在其中。由於希格斯粒子很容易衰變成其他粒子，這些粒子又會進一步衰變成別的粒子，使得尋找希格斯粒子耗時耗力。
歐洲強子對撞機的建成和投入使用，已經使科學家們獲得了足夠的信心：由於它所達到的能量已經足夠大，因此這將是一個判決性實驗——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探測到，不像以往的實驗設備存在漏網的可能性；反過來的說法也成立，如果它仍然不能探測到希格斯粒子，就說明這東西根本不存在。
然而通過強子對撞機產生上帝粒子並沒有那麼容易——每1萬億次的質子對撞，才可能產生一次希格斯粒子。更加困難的是，這種粒子一旦產生就轉瞬即逝，因此要想捕捉到它需要進行足夠次數的相撞，並進行海量數據分析。歐洲強子對撞機自2010年開始高能量運作之後，兩個探測器都屢次觀測到了希格斯粒子存在的跡象。經過了足夠多次數的觀測，歐洲原子核能中心最終確信自己已經找到了“上帝粒子”。兩座各自獨立的實驗室都發現了這種亞原子粒子，質量範圍在125吉電子伏特至126吉電子伏特之間。兩家實驗室都宣布，數據結果的統計確定性為5西格瑪，或5標準差。5西格瑪，換算成統計誤差率，大約為0.00006％。在粒子物理學界，若要證實某一發現，數據統計確定性需要達到5標準差；若要作為證據，統計確定性必須達到3標準差。所以現在說是“接近發現”。