陳國明:捕捉上帝粒子的中國人

陳國明在北京中科院高能所，他也是歐洲核子中心繆子探測器項目中國組成員

7月4日，歐洲日內瓦核子研究中心宣布，找到了疑似「上帝粒子」希格斯玻色子的新粒子

7月4日，歐洲日內瓦核子研究中心宣布，找到了疑似「上帝粒子」希格斯玻色子的新粒子。英國《泰晤士報》評論說，這一發現的意義，如同人類當初發現萬有引力、進化論、DNA雙螺旋結構等。全世界共有7000多名科學家參與。

在北京西南四環外的一排居民樓後面，隱藏著一個一般人很難說清楚是做什麼的機構：中科院高能物理研究所。從正門進去可以看到一尊名為「物之道」的黑色雕塑，兩個粒子纏繞在一起，旋轉的線條向外延伸。物理學家李政道的題詞被刻在黑色大理石基座上：道生物，物生道，道為物之行，物為道之成，天地之藝物之道。

這是一個研究「物之道」的地方，大到宇宙是如何誕生，小到形成這個世界的最小磚塊在哪裡，許多科研人員窮盡一生的時間演算和實驗，可能也只是了解萬分之一二，哪怕是這樣，在粒子物理學領域也足夠發上一篇半篇的論文了。

7月4日，物理學界迎來了一件大事情。歐洲日內瓦核子研究中心宣布，找到了疑似「上帝粒子」希格斯玻色子的新粒子。在7000多名科學家參與的這場尋找「上帝粒子」的國際聯合科研行動中，中科院高能所承擔部分探測器部件的製造，以及實驗數據的分析任務。高能所研究員陳國明是歐洲核子中心繆子探測器項目中國組成員。

陳國明是個率真、可愛的中年人，常常在說話間哈哈大笑。他不經意間流露的對於粒子物理的熱情讓人忍不住羞愧。「這比別的工作要好，別的都是賺錢，為老闆賣命。這個呢，除了賺錢養家餬口，多少有點興趣。希格斯有沒有？這是個問題。宇宙怎麼來的？這也是個問題。」

陳國明不太喜歡「上帝粒子」這個稱呼，總要改口說是「希格斯玻色子」——對物理學家而言，任何不精準的描述和籠而統之的比喻都是一種折磨。早在念博士後時，陳國明就介入了尋找「上帝粒子」的漫長曆程，至今已經25年。

「粒子物理」對普通人來說是個遙遠的概念，陳教授也很少和家人及圈外朋友聊這個話題。哪怕是看懂掛在辦公樓門口的海報也不是一件容易的事。兩張寫滿數字和運算公式的英文說明書是介紹西藏羊八井觀測站的。還有一張海報上，一個白鬍子老頭在微笑，背後是宇宙蒼穹。問過才知道那是美國物理學家蓋爾曼(Murray Gell-Mann)，海報是紀念他誕辰80周年。

大名鼎鼎的蓋爾曼獲過諾貝爾獎，是「夸克之父」。和另一位美國著名物理學家理察·費曼一樣，他是個有趣古怪的老頭，認為理論物理以外的學術都是二等學術。蓋爾曼在這裡人氣極高，2010年的海報到現在也沒人取下來。成為蓋爾曼，是這裡所有人的夢想。

歐洲核子研究中心

在瑞士和法國的邊境地下，人們修建了一個巨大的工事。若你從法國村莊克羅澤的中央垂直向下100米，你會突然掉進一個坑，好像電影中描述的科學怪人們的工廠。一條寬3米的隧道呈曲線伸向遠方，隧道裡布滿了各種管線，一根好似暖氣管樣的管道躺臥在中央，每隔幾米就是個藍色的接頭。若你沿著它走，你會發現每走幾公裡就有一個高大的洞廳，裡面裝滿了各種連杆、支架、電纜和奇形怪狀的金屬部件，燈火通明。走完27公裡，你又回到出發的地方。

這裡是歐洲核子研究中心(簡稱CERN)，長長的隧道裡安放的機器是大型強子對撞機(簡稱LHC)。2008年10月9日，大型強子對撞機啟動，目的是讓兩束粒子以相反方面在圓周27公裡的環狀管道內加速，以接近光速的速度迎頭撞上，激烈的對撞會產生各種類型的迷人粒子，其中有些可能是我們從未見過的。它的重要使命之一就是尋找希格斯玻色子(俗稱「希格斯粒子」)。

整個隧道裡設置了四個對撞點，那些分布在隧道沿途的四臺大型探測設備會精密檢測碰撞中迸發出的物質，像照相機那樣捕捉碰撞產生的所有碎片細節。最大的一臺是超環面儀器(ATLAS)，有巴黎聖母院的一半那麼大；最重的一臺是緊湊繆子螺線管探測器(CMS)，比艾菲爾鐵塔還要沉。這兩臺探測器在實驗中都檢測到希格斯粒子存在的痕跡。

早在蘇黎世念博士時，陳國明就因為研究項目常去歐洲核子研究中心轉悠。2008年大型強子對撞機啟動後，為了安裝調試CMS探測器，以及其他國際合作，陳國明常去日內瓦總部出差。他還留著一把CMS試驗區地面研究中心辦公室的鑰匙。那是個理想主義者扎堆的地方。一樓的咖啡廳裡，大群同行端著咖啡就開始討論理論問題，外人聽來，仿若天書。

「你別看有那麼粗的管道，」 陳國明拱起手給記者比劃著，「中間的加速管半徑只有4釐米，裡面是一個束團一個束團的質子，每個束團有一千億個質子，頭髮絲那樣細，它們在管道裡加速，看能不能碰上。」

在此次尋找「上帝粒子」的國際聯合科研行動中，中國物理學家們參與了包括CMS和ATLAS在內的所有4個試驗項目，最重要的貢獻是參與製造對整個CMS實驗至關重要的繆子探測器以及相關試驗分析。陳國明曾經去過那個探測器的安裝現場。「戴著安全帽乘電梯往下100米，一個巨大的10層樓高的大廳裡，橫臥著一個啤酒桶樣的設備，那就是CMS探測器。啤酒桶的兩端各有三片蓋子，我們管它叫端蓋，我們中國造的就是端蓋的一部分。」他說。

「那個環形軌道，人也是可以進去的。進去要刷卡，系統會登記，再刷卡出來，只有確保裡面沒有人時，才會開始對撞。軌道裡有人，機器就會自動鎖死。」陳國明回憶道。「撞的時候，管道裡會抽真空，保持超導磁鐵的4K(約-269.15℃)以下的溫度，非常非常費電，會瞬間產生巨大的輻射。」

在高能所，陳國明帶記者走進另一間辦公室，「讓你看看粒子對撞是什麼樣的，」他說。那是一間普通的會議室，一面牆上掛著4個液晶顯示器，另一面桌上放著3臺電腦。他讓助理打開牆上的顯示器，四個畫面都不一樣，其中一個畫面，幾個外國人在一排電腦前走來走去，「那就是日內瓦的總部，」他說；另一個畫面，兩個粒子在模擬彩色屏幕上靜靜地待在一個圓的兩端。還有兩個畫面是些數據和波形。

「哦，他們現在沒有撞，今天剛好休息。」原來，這是CMS試驗在北京設置的監測點。這些監測點要確保機器正常運行。「有38個國家參與了CMS試驗，每個國家都要負責一段監測時間，中國承擔一部分亞洲時區的監測任務。」他說，「其實就是看看機器運行有什麼問題，有問題屏幕上就會冒出一個紅色的小氣球，問題越大，氣球越大，總部有專門的專家組負責解決這些問題。」

他打開旁邊一臺電腦，點開一張圖。許多彩色原點在一條直線上呈放射狀散開，並交織在一起，像一朵朵盛放的彩色煙花。「這就是質子撞中的情形，顏色是人工模擬的。這些是你會在屏幕上看到的東西。」他指了指那塊毫無動靜的屏幕。「兩個束團裡有多少粒子能相撞？」記者問。

他仿佛在等待記者驚訝的表情：「只有20個，撞出的都是強子事例。撞出希格斯粒子的概率要小很多，比強子事例的概率還要小12個量級(註：10的12次方分之1)。」也就是說，在幾十兆次的對撞中，只有一次可能產生希格斯粒子。

尋找希格斯粒子

在確定找到希格斯粒子之前，科學家們的主要顧慮是如何判定找到了希格斯粒子？需要多少證據才能證明是找到了呢？為此，歐洲核子研究中心設計了兩組實驗競爭，尋找相同的粒子，如果一個實驗找到了，而另一個實驗沒有，則不能宣布這項發現。

在《美國國家地理》雜誌的一篇文章中，ATLAS和CMS實驗被類比成「可口可樂」和「百事可樂」，他們目標一致，但使用不同的技術，且競爭激烈。CMS實驗有3000多名科學家參與，在內部，他們被分成許多小組；同一組數據，至少兩個組在做分析，在競爭的同時也互相驗證。

「你無法從顯示屏上直接看到希格斯，」陳國明說，「只能靠事後的數據分析。」希格斯的壽命非常短，剛一產生就衰變成多個碎片，但這些碎片和其他粒子衰變的碎片又很像。探測器記錄的細節就好像照相機的相片，要從成百上千萬億張照片中找到希格斯的痕跡，是十分十分困難的事情。

2005年，陳國明開始做數據分析，研究希格斯的衰變方式，尋找用合理的方法在一堆碎片中判定希格斯的存在。他們發明了一種相對高效準確地從碎片中分辨希格斯的痕跡的方法，今年CMS合作組採用了中國組的分析方法，這比去年美國組的方法的靈敏度高3%。

對於歐洲原子核中心發布的研究結果，陳國明表現得很淡定。作為分析組的成員，他實際早已從數據裡看到了新粒子的存在。「我們自己也在分析，用的是5月中旬的數據，別人的結果和我們是一致的。其實在5月下旬許多相同的分析結果都出來了。所以要說誰最先發現希格斯，還真不好說。」他說。

希格斯粒子的各個衰變道的任何初步結果分析出來後，都要經過一級級的評審，直至最後發布結論，十分嚴謹。「我有個學生負責把CMS各個衰變道的結果合在一起，最後得出結論。有一天深夜，他發了郵件給我，我想，應該這就是結果了。」他說。「作為粒子物理學家，能看到這一刻，真是非常非常幸運。」

物理學界已經沉悶許久。大部分的對撞不會產生什麼特別有趣的事情，自1995年粒子物理學家發現頂夸克後，已有16年沒發現任何新粒子。

著名華裔物理學家丁肇中曾經在1972年領導一個小組在紐約的一個實驗室進行了一系列實驗，尋找新的重粒子。對於實驗的艱巨和複雜，他曾經這樣比喻道：「在雨季，一個像波士頓這樣的城市，一分鐘之內也許要降落下千千萬萬粒雨滴，如果其中的一滴有著不同的顏色，我們就必須找到那滴雨。」

這是粒子物理學家常常面臨的寂寞，新粒子往往被某一種理論預言，你必須選擇信仰一種理論，然後通過海量實驗去尋找它。可能進行幾十億次的對撞後，你沒有找到你想要的粒子。這時候，普通人該要懷疑人生了，粒子物理學家們會改進實驗方法，繼續下去。義大利的粒子物理學家喬爾達諾在覺得研究無望後寫起了小說，《質數的孤獨》讓他意外成名。他曾經研究的是和夸克有關的粒子。

找尋希格斯的歷史

在物理學中，有一個自圓其說的概念，是「標準模型」，它描述了自然界的微觀世界裡，基本粒子相互作用的規律。這個模型在不斷發展中慢慢完善，唯一的缺陷在於無法解釋萬物的質量從哪裡來。1964年，物理學家希格斯對模型進行了修正，他提出「希格斯場」，認為在137億年前的宇宙大爆炸中，世界從無到有，希格斯玻色子使物質得到質量，恆星和行星得以誕生，最終孕育生命，演化了萬事萬物。

因為希格斯是那個至關重要的金手指，於是這種粒子被稱為「上帝粒子」。自它被提出開始，人們就開始了漫長的尋找。要找到希格斯並不容易，和大部分次原子粒子比起來，希格斯玻色子理論上可以很重，它的質量可能是質子的1000倍，這就是為什麼需要一個大對撞機來製造一個希格斯粒子——撞擊的能量越大，碎屑中的粒子也愈大。

尋找希格斯的工作早在上世紀就開始。1987年，陳國明碩士畢業，加入了著名華裔物理學家丁肇中領導的正負電子對撞機(LEP)試驗組。但LEP上的試驗沒找著希格斯，意外的收穫是，為了讓物理學家們能夠方便地遠程傳輸數據，一個叫蒂姆·伯納斯·李的英國軟體工程師發明了全球資訊網。

位於美國費米實驗室的Tevatron對撞機，花費了20年，依稀見到了希格斯粒子的影子，但它在2011年10月停止運行，因為在能量和亮度方面都競爭不過歐洲人的LHC。在歐洲人建LHC之前，美國曾想花錢造一個世界上最厲害的對撞機SSC，目標之一也是尋找西格斯，但這個項目太費錢了，最後被國會否決。

去年底，歐洲核子中心曾傳出消息，說科學家們可能在海量的數據中分析出希格斯玻色子的蛛絲馬跡。之所以說可能，是因為ATLAS只在99.9%的置信度上看到了希格斯粒子的影子，CMS實驗的置信度只有99%。而在物理學家的精確體系裡，宣布一個發現，實驗置信度必須達到99.99994%。

直到今年7月4日，在日內瓦歐洲核子研究中心的發布會上，核子中心的主任才拿著話筒，小心翼翼地宣布：「要是我說句有點外行的話，我現在會說，『我想我們找到了它』。大家同意嗎？」全場鼓掌。

是的，按照內行的話說，那只是一個很像希格斯粒子的粒子，進一步判定還需要時間，它也有可能是個新粒子。但無論如何，這都是改變世界的發現。

「關於解釋我們這個世界是如何誕生的，有很多模型，標準模型只是其中的一種。每種模型都是在實驗和理論中完成雞生蛋、蛋生雞的演進過程。即使確認了這就是標準模型預言的希格斯粒子，標準模型也未必就是真理。」陳國明表示：「接下去我們還要繼續把這種粒子撞出來，分析數據，研究它的各種性質。」