12月13日,欧洲强子对撞机实验室进行的粒子对撞轨迹图。
2008年9月3日,瑞士日内瓦,欧洲核子研究中心的科学家在大型强子对撞机运行前进行了各方面工作。
3年前,大名鼎鼎的理论物理学家斯蒂芬·霍金押下100美元的赌注,打赌人类永远也不可能发现希格斯粒子——一种有着“上帝粒子”之称的神秘粒子,被认为是宇宙中所有基本粒子的质量之源。
12月13日(上周二),在欧洲核子研究中心研讨会上,有专家宣布,目前世界上“最强大的超级显微镜”——大型强子对撞机,在寻找希格斯粒子时出现重要进展……赌局即将揭晓,所有人都迫切地想知道,“上帝粒子”到底是否存在?
“上帝粒子”十分十分重要目前已有重要发现12月13日,在欧洲核子研究中心研讨会上,ATLAS和CMS这两个独立研究组的实验项目发言人说,他们在相似的能区附近观察到很可能是“上帝粒子”衰变之后留下的痕迹。
“这预示着一种发现的可能性。”ATLAS实验项目中国组负责人金山说。CMS实验项目中国组物理分析负责人陈国明对此表示赞同。
法新社评论,这一发现的重要意义,丝毫不亚于爱因斯坦首次系统地阐释量子物理学。如果最终证明希格斯粒子只是一种幻想,科学家将不得不回到原点重写粒子物理学课本。
“某种程度上,它的重要性堪比创造一切的上帝。”陈国明说,“在宇宙大爆炸之初,希格斯粒子赋予基本粒子质量,使得物质得以形成、凝聚、演化,最终形成了星系,也形成了我们。”
每秒迎来千万次爆炸3000多位科学家电脑前守候在宇宙大爆炸发生137亿年之后,为了捕获希格斯粒子,人类齐集了最尖端的科学技术,尝试还原当时爆炸的一瞬间。
在横跨法国和瑞士边境的大地之下,大型强子对撞机占据着一条长27公里的圆形隧道。这个空旷的地下世界相当于4个梵蒂冈,如果你要走完全程,要花上4个小时。
自2010年3月正式启动以来,这条隧道每秒钟都迎来千万次爆炸。在一条环形加速管道中,方向相反,各具有3.5 TeV(兆兆电子伏特)能量的质子团在4个对撞点不断碰撞。
陈国明说,几百电子伏特的X光就足以把人类“穿透”,兆兆级别的能量会使质子在对撞时完全被打碎,无数粒子瞬间喷发,仿佛一次“宇宙小爆炸”。
每一个对撞点上都架起了上万吨重的粒子探测器,它们犹如平躺着的硕大无比的啤酒桶,将对撞点严实地包裹起来,并承载不同的实验功能。其中,名为CMS和ATLAS的两个探测器的主要使命就是探索可能出现的希格斯粒子的信号。
爆炸的瞬间,各种参数通过计算机网格系统先传到位于日内瓦的欧洲核子研究中心的零级计算机,随即送达分布在5个地区的一级计算机站点和上百个二级计算机站点,最终抵达三级计算机系统。这个庞大的网络网罗了全世界几十万台计算机。
在电脑屏幕前守候的,是来自全球80多个国家的科学家,其中,参与CMS和ATLAS研究组的学者就各有3000多位。
温伯格提出“标准模型”
1979年斩获诺贝尔奖如此庞大的阵容,只是为了寻找一个小得几乎不占任何空间的粒子。这一切,还得先从40多年前一个名为斯蒂芬·温伯格的物理学家所提出的“标准模型”说起。
1967年,温伯格发表论文,指出一切物体都是由轻子和夸克这两大类基本而不可再分的粒子构成的,并尝试将自然界中除万有引力以外的三种相互作用力——电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力统一起来。
用英国曼彻斯特大学理论物理学家杰夫·佛尔莎的话说,标准模型就像它的名字一样雄心勃勃,意味着“我们肉眼可见的一切,无论多么复杂而多元,都是由一小撮基本粒子,根据同样简单的规律相互作用而构建起来的”。
随后的20多年里,这个模型经受了各种挑战,终于在1979年斩获诺贝尔奖。直到今天,它所预言的61种基本粒子已有60种被成功发现,剩下的一个,便是希格斯粒子。但这个漏网之鱼,恰恰是“标准模型”这幢摩天大楼的根基所在。
在佛尔莎看来,希格斯粒子“拯救了世界”,让人类得以理解“为什么宇宙既是由有质量的粒子组成的,同时又美妙地保持着对称”。
2008年3月,霍金赌注刚下,物理学界就炸开了锅,反应最为激烈的莫过于希格斯本人。他悲痛地回应,霍金的挑战“就像是在批评已经去世的戴安娜王妃”。
“上帝粒子”产生几率极低实验结果一度让人沮丧但即便派上了全世界顶尖的技术和最优秀的物理学家,要逮捕支撑宇宙根基的一个粒子,依然比大海捞针还难。
“希格斯粒子产生的几率非常低,可以说是每1012次的质子对撞,才可能产生一次。”陈国明说。
更加困难的是,这种粒子一旦产生就转瞬即逝,在10亿分之一秒后,它会通过不同渠道,衰变成光子和轻子等其他粒子。
今年以来,大型强子对撞机内每一秒钟发生着大约4000万次的质子对撞。“我们整天对着计算机,绞尽脑汁地分析,”金山说,“每一次从提取原始数据,到最后得出分析结果,都要经过半年时间。”
大型强子对撞机的实验结果一度让人沮丧。在运行了20个月之后,学者们发现不同衰变渠道上的能量几乎没有任何“超出”。按照预期,希格斯粒子一旦现身,科学家们紧紧盯着的函数曲线上将呈现“小鼓包”。
对撞机运行1小时,花费约134万结果找了20多年还没找到今年10月,金山赴欧洲核子研究中心参加定期会议时,感受到了“一片消极气氛”。
“毕竟这个项目许多国家都投入了钱。”金山说。
光在筹建阶段,大型强子对撞机就使用了来自40个国家的60亿欧元(约合492亿元人民币),其中在CMS和ATLAS探测器的建造上,中国分别投入了1%和0.5%的经费。此后,对撞机每运行1小时,都需花费大约20万瑞士法郎(约合134万元人民币),这些费用同样由参与实验的国家分摊。
陈国明也承认当时他心情糟糕,他说:“找了20多年也没有找到,真是让人闹心!”
德国小伙打造赌一赌网站不少人对希格斯粒子抱怀疑用一个粒子就解释了质量的起源,这听上去“很划算”,但大自然很可能不是这样的。多年以来,对希格斯粒子抱怀疑态度的大有人在。
亚历山大·恩齐科尔,一个德国的年轻物理学家就精心打造了“赌一赌希格斯”的网站,公开宣称他不相信希格斯粒子的存在。
“这是一个可以花上好几个月来讨论的争议性话题,” 恩齐科尔在网站上写道,“在这种情况下,德国哲学家康德会建议我们打个赌,他说,打赌是区分笃信和随意观点的最好方法。”
自2009年12月以来,恩齐科尔像霍金一样押下100美元的赌注,邀请各方网友与他打赌。
不过,在陈国明看来,判断希格斯粒子是否存在,还得凭借精确实验的结果。他说:“CMS和ATLAS这两个研究组在竞争,研究组下的各个小组也在竞争,大家拿到数据之后,都抢着快点‘交作业’。”
一切将在明年尘埃落定目前还只是一个传说就在人们不断逼近宇宙万物质量起源的谜底之时,物理学家那颗不安分的好奇心越发强烈。在为英国《卫报》撰写的文章中,佛尔莎坦言,“世界上没有希格斯粒子”将是令她“最为兴奋”的结果。
大自然到底选择了怎样的发展路径?目前还是一个谜。不过欧洲核子研究中心已经保证,这一切将在2012年尘埃落定。
“我们预计,明年夏天一定有大轰动,”金山激动地说,“或者是发现,或者是革命了!”
在这之前,金山和陈国明面前依旧摆着大量枯燥的数据分析工作。“还是要冷静,再冷静。”
“目前来说,希格斯粒子还只是一个传说,我们要做的,就是实事求是地判断。”陈国明说。中国青年报供本报专稿