上帝粒子现身

　　张立伟

　　7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们宣布发现了一种新的亚原子粒子，与希格斯玻色子（也被称为上帝粒子、希格斯粒子）理论所描述的一致。在此前一天，美国能源部下属的费米国家加速器实验室也宣布，该实验室最新数据“强烈表明”希格斯玻色子的存在。如果最终能够证实上帝粒子的存在，并摸清它的特性，将是人类探索宇宙秘密的里程碑性事件。

　　在上世纪60年代，物理学家构造出一个标准模型来描述强力、弱力及电磁力这三种基本力（重力没有包含进来）以及所有基本粒子的构成机制。至今标准模型预言的61种基本粒子有60种已经得到了实验数据的支持与验证，惟独希格斯粒子没有找到。

　　标准模型认为一切基本粒子都应该没有质量，即质量为零。但现实是，大多数基本粒子都具有质量。所谓质量就是“移动物体的难度”，或者更精确的说，质量是“使物体加速的难度”。为了解释标准模型理论与事实之间的冲突，英国物理学家希格斯于1964年提出一种理论，认为空间里存在一种“希格斯场”，其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。

　　就像水对于在水中运动的物体具有阻滞作用，希格斯场对于大部分基本粒子都具有阻力，使得这些基本粒子不能以光速运动。这种阻力的大小因基本粒子的不同而不同，从而赋予不同的基本粒子各自不同的质量。这种结果使宇宙得以诞生，最终孕育生命。而空间中如果真的充满希格斯场，就应该有一种尚未发现的希格斯粒子。

　　更为通俗的理解是，因为空间中充满着希格斯粒子，当加速基本粒子时，容易碰撞希格斯粒子的就较难加速（质量较大），碰撞几率较低者即容易加速（质量较小），而光子在运动时不与希格斯粒子发生碰撞，因而能以光速行进，质量为零。也就是说，质量是物质与希格斯粒子的相互作用。

　　科学家希望通过高速质子对撞来寻找隐藏在真空中的希格斯粒子，但是，生成的希格斯粒子会在极短的时间内迅速衰变为更加稳定以及质量更小的粒子。物理学家们需要对这些衰变产物进行分析，并且通过分析来推断上帝粒子是否存在。CERN的科学家，分别利用大型强子对撞机（LHC）上的2套实验观测装置以互不相同的方式寻找希格斯粒子，以有利于相互比较和印证。

　　根据CERN的宣布，超导环场探测器实验（ATLAS）与紧凑μ子线圈实验（CMS）两个团队在125至126GeV的质量区间内发现存在一种新的粒子，肯定度达5级sigma，质量约为126GeV。这几乎等同发现希格斯粒子但最终还需更多数据的确认。事实上，早在去年12月13日，CERN两个小组就分别以98.9%和97.1%的确认度证实希格斯粒子的存在，但断定发现该粒子，需要确认度超过99.9999%。

　　如果最终确认希格斯粒子不存在，将推翻整个标准模型，人类不得不重新探索对宇宙的认识；但是，即使希格斯粒子被证实存在，与理论预期的一致，还有更多无法解释的现象让人类困惑，比如暗物质、多维度空间等。因此，在不完美的标准模型之外，科学家提出了“超对称理论”、“弦理论”等弥补它的缺陷。

　　人类通过观测认为，暗物质构成了宇宙中83%的质量，但却从来没有发现过暗物质。超对称性理论预言，所有已知的粒子都有一个 “超对称粒子”（或称为超伴子）潜伏于亚原子世界中，是构成暗物质的主要成分。尽管这个理论非常简洁的解释了暗物质的存在，但是科学家们在LHC的质子加速器实验中，从来没有发现 “超对称粒子”存在的证据。

　　而将基本粒子和四种相互作用力统一起来的“弦理论”，认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子，这些看起来像粒子的东西实际上都是很小的弦闭合圈（称为闭合弦或闭弦），闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。这个理论假定宇宙中所有粒子都被局限在一个四维的膜宇宙中，而膜宇宙又漂浮在一个更高维度的体宇宙里。

　　弦理论可以解释引力子和惰性中微子等标准模型无法理解的现象，认为这些特殊粒子可以从膜宇宙中穿入穿出。而是否存在更多的空间维度来证明弦理论，仍有待科学家通过对撞实验探测。