對於耗資55億美元方才建成、直到啟動日仍麻煩纏身的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC),希格斯玻色子(Higgs Boson)確實是來自「上帝」的一個好消息。這顆在粒子物理學的標準模型中被最後發現的粒子,被充滿敬畏地稱為「上帝粒子」——科學家曾認為,它將能夠解釋物理學上其他基本粒子何以擁有重量的關鍵。
12月20日,希格斯玻色子被美國《科學》雜誌列為本年度最重大科學突破。緊隨其後,丹尼索瓦人基因組、基因組的精密工程、「好奇」號火星車的著陸系統等等,同時進入年度十大科學突破。
毫無疑問,「上帝粒子」的發現,是2012年最受關注的科學進展。媒體蜂擁,大眾雀躍,「『上帝粒子』日快樂。」流行樂團黑眼豆豆的主唱will.i.am在推特上寫到。
此前,研究人員一直在觀測位於瑞士的世上最大的粒子加速器LHC。就在7月4日,他們宣布發現了一個粒子,可能是研究者夢寐以求的希格斯玻色子。粒子物理學也許是科學領域中最詳細和精確的理論,它描述了組成普通物質的粒子,但乍一看,這一標準模型似乎是無質量粒子的理論。這便是希格斯玻色子的來源:物理學家認為真空充滿了「希格斯場」,粒子與希格斯場相互作用獲得能量。
假設在40多年前,對希格斯玻色子的觀察將使這整個標準模型變得完整。「目前面臨的唯一問題,是它是否標誌著粒子物理發現的新時代開端,還是該領域順其自然的最後歡呼。」《科學》雜誌在其刊布的文章中說。
《科學》選擇希格斯玻色子,更因為它在知識性、技術性和組織性上獲得的勝利。除了耗費巨資製造的27千米長的大型強子對撞機,歐洲粒子物理實驗室的研究人員還為發現希格斯玻色子,製造了25米高、45米長的ATLAS粒子探測器,以及重達12500噸的CMS粒子探測器。
為了測試發現的粒子是否真的是希格斯玻色子,研究人員現在正在計算它衰變為其他粒子組合的比率。物理學家曾在之前做了類似的預測。1970年,當時只有3種夸克是已知的,理論家預言了第四種的存在,4年後即被發現。1967年,他們預言傳遞弱作用力的粒子存在,1983年W玻色子和Z玻色子被發現。
「粒子理論家提供了各種預言竅門。」《科學》雜誌繼續寫道,「鑑於沒有兩個星系是完全相同的,而所有的質子是相同的。所以當碰撞它們時,物理學家無需擔心這個質子或那個質子的特性,因為它們根本沒有特性。」另一些理論家則認為,標準模型應將其預測能力歸功於該理論基於數學對稱概念的事實。「簡而言之,對稱性的觀點是預測中強有力的工具。」
但希格斯玻色子的發現,標誌著標準模型中已無預言可測試。「他們有充足的理由認為,標準模型並不是基礎物理的最終結果……理論本身證明,希格斯玻色子和其他粒子之間的相互作用應該會使希格斯玻色子變得非常重。所以物理學家懷疑,潛伏在真空中的新粒子可能會抵消這種效果。」
實際上,科學家無法保證在大型強子對撞機LHC或其他可以想像的對撞機的工作範圍內是否還存在著新的物理成分。「標準模型可能是所有宇宙內部運作中大自然願意透露的全部。希格斯玻色子的發現是一個突破。粒子物理學家未來是否會再一次獲得類似的突破呢?」
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