千米小说网

第8章 微物之神希格斯玻色子（第3页）

弱核力对于太阳至关重要，因为需要弱核力的核反应很罕见（在量子世界中，“弱”是“不常见”的同义词）。之所以太阳的燃料在数十亿年的时间内逐渐消耗，而不是在一次性爆炸中挥霍掉，就是因为产生阳光的核反应链第一步的稀缺性。这使太阳能够稳定地发光数十亿年，为进化复杂的生命提供了时间。而且，如果这还不足以令人感激，那么弱核力对于在巨大恒星内部发生的核进程中也至关重要。这些恒星合成了对地球生命至关重要的碳、氧和铁等元素。[3]

弱核力似乎与电磁力差别巨大，敢于宣称它们有共同的起源的确需要勇气。在世界上，彩虹和放射性衰变怎么就成了同一基本现象的不同方面呢？但这正是施温格在1956年提出的观点。[158]在20世纪60年代，温伯格、萨拉姆还有其他一些人证明了施温格是对的。也正是在电磁力和弱核力进入电弱的统一中，证明了希格斯观点的价值。

简单说一下什么是玻色子。在自然界，粒子可以携带固有的自旋或称量子自旋，并且只能是基本自旋的整数倍（如0或1）或半整数倍（如12或32）。前一种类型的粒子被称为玻色子（bosons），后一种类型的粒子被称为费米子（fermions）。载力子（如光子和胶子）是玻色子；而结构性粒子（如夸克和电子）则是费米子。粒子的自旋与其整体行为之间有着密切的联系。根据自旋统计定理，2个性质相同的玻色子可以同时占据同一位置，但是2个费米子却不能。这就是无法计数的光子很乐意在一束狭窄的激光中携手前行，而电子却为避开彼此而无所不用其极的原因。正是电子的这种强烈的互斥性解释了为什么它们要占据原子中单独的轨道，从而使物质得以延展而形成固体。

在温伯格和萨拉姆的理论中，电磁力的存在是为了维持一种称为U（1）的局域规范对称性。大体上说，就是要保持电子量子波的复杂相位在时空的每个点都相同。弱核力的存在则是为了维持稍微复杂一点的对称性，被称为SU（2）。该对称性涉及一个2×2矩阵，与保罗·狄拉克的著名方程式中使用的矩阵相似，但并不完全相同（请参阅第3章）。这两种对称性合在一起，称为U（1）×SU（2）。正如格拉肖认识到的那样，电弱载力子变成了光子和Z0子，这是由2种对称性及W-子和W+子的混合而产生的。Z0子只不过是有质量的光子，我们可以把它看作重光（heavylight）。

由于规范载力子必须服从局域规范对称性，因而载力子都是无质量的。在宇宙大爆炸最初的超高能量条件下，可能会发生这种情况。进入希格斯机制，这种情况下的希格斯场就比用墨西哥草帽描述的情况稍微复杂一点。这就是所谓的具有4个分量的SU（2）状态，产生4个戈德斯通玻色子，或称希格斯子。W+子、W-子和Z0子将其中3个玻色子吞噬，在这个过程中赋予它们质量（光子不参与这个过程，因而保持无质量状态）。剩余的粒子则是具有内在质量的希格斯玻色子，彼得·希格斯在1964年8月预测了它的存在。

截至2012年7月，标准模型（即3种非引力的量子场论）中所有基本粒子的有力证据都在实验中被发现。[159]这些基本粒子包括6种夸克，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克；6种轻子，即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子；以及12种载力子：其中，光子介导电磁力，W+子、W-子和Z0子传递弱核力，8种胶子传递强核力。[4]

2012年7月4日，伦敦卫理公会中心大厅

在大厅舞台后面的屏幕显示欧洲核子研究中心的新闻发布会开始了。实验室的主礼堂座无虚席，甚至比伦敦卫理公会中心大厅还拥挤。巴特沃斯已经在回答热心记者的问题了，令他沮丧的是，他只能断断续续地从巨型屏幕上了解那边的实况。

在欧洲核子研究中心，ATLAS和CMS实验室的发言人法比奥拉·吉亚诺蒂（FabiolaGianotti）和乔·因肯德拉（JoeIndela）正在会议现场。大型强子对撞机是有史以来最复杂的机器，填满了瑞士和法国边境下方长达27千米的圆形隧道。该隧道与伦敦地铁的环线一样长，之前被大型正负电子对撞机（theLargeEle-Positroncollider，LEP）所占据。

大型正负电子对撞机的碰撞能量能够达到的强度是有限的，因为每当电子和正电子被加速时——当环绕在大型正负电子对撞机隧道周围的强大磁铁将正负电子的径迹弯曲成圆弧时——这些正负电子就会发射电磁辐射，从而削弱碰撞的能量。然而，至关重要的是，这种同步辐射（synradiation）对轻粒子产生的影响比重粒子更明显。事实上，这取决于粒子质量的负四次方，因此，比电子重2000倍的质子产生的同步辐射大约只有电子的10万亿分之一。这就是为什么要用大型强子对撞机（LHC）替换隧道中的大型正负电子对撞机了。（顺便说一句，强子是任何受到强核力作用的粒子。）

大型强子对撞机的环形真空管道位于瑞士和法国之间距离地面100米的地下。要强迫超高能质子沿这条环形管道运行，就需要用尽可能强的电磁铁来弯曲质子的径迹。实际上，流过这些电磁线圈的电流能够达到12000安培。如此高的电流自然会产生大量的热量，但是大型强子对撞机的1232个偏转磁体，每个长15米、重35吨，由特制的超导线圈制成，并由液态氦——世界上最好的制冷剂——冷却。在零下271。3摄氏度，也就是仅比绝对零度高1。9开尔文的情况下，线圈对电流不产生任何阻力，保持超导状态，因此不会发热。然而，在2008年9月10日的测试开始后不久，就在大型强子对撞机第一次注入质子束时，两个磁体之间的连接失去了超导性。这导致了火花的产生，火花击穿了长达27千米的冷却容器——有史以来最大的冰箱——逸出的液态氦迅速气化膨胀发生爆炸，导致750米的磁环被损坏。事故使该计划的进程推迟了一年多。

好在自2009年11月重启以来，大型强子对撞机一直运行顺利。在ATLAS和CMS内部，质子之间以光速的99。9999991%发生碰撞，再现了宇宙诞生后1000亿分之一秒的瞬间——此时，大爆炸火球的温度约为1000万亿摄氏度。严格来说，这种碰撞不是质子之间的碰撞，而是质子的构成粒子夸克和胶子之间的碰撞。从碰撞的能量中产生了夸克和胶子的射流。射流中产生了大量奇异粒子，这些奇异粒子在极短的时间之内就转化为更多的亚原子碎片。通过硬件和软件的手段，从这些眼花缭乱的亚原子射流中滤除了大多数事件信号，仅留下最罕见的特征信号——那种物理学家正在寻找的希格斯玻色子的特征信号。

巴特沃斯大致知道吉亚诺蒂会讲些什么，因为前一天吉亚诺蒂在同事们面前排练演讲时，巴特沃斯也在欧洲核子研究中心的萨尔·居里（SalleCurie）会议室。然而，当吉亚诺蒂的演讲达到**时，巴特沃斯希望不要有人来分他的心。值得庆幸的是，瑞士主会场逐渐高涨的兴奋情绪已经蔓延到了伦敦。卫理公会中心大厅的记者默不作声了，所有人的目光都集中在大银幕上。

吉亚诺蒂正在展示一张曲线图，图中显示了一个126GeV的峰值，是产生质子所需能量的大约126倍。如果ATLAS和CMS看到的是一个来自短暂存在粒子的衰变产物的话，这正是预期的结果。吉亚诺蒂讲了句魅力十足的话：“两个实验结果都达到了‘5-西格玛’的置信度。”[5]

欧洲核子研究中心的会场内一片欢腾，在过去半个小时里耐心倾听技术细节的观众们爆发出了热烈的掌声和欢呼声。电视画面转到满脸通红、面带微笑的彼得·希格斯身上，希格斯是受邀出席此次发布会的，他坐在观众席中间。周围的人都在向希格斯表示祝贺，并争相和他握手。希格斯今年83岁，为人谦和，今天看上去有点激动。他把眼镜往上推了推，像是在擦眼泪。“二人组”成员中的弗朗索瓦·恩格勒特也在现场。一年后，两人分享了2013年诺贝尔物理学奖。[160]

伦敦卫理公会中心大厅会场内也是一片欢腾，人们站起来欢呼着。巴特沃斯已完全忘记了早些时候到达这座大楼时的不快。这是物理学史上重要的时刻。尽管距离日内瓦750千米，但巴特沃斯也觉得自己身在其中。他曾以为自己所从事的工作即便是在物理学界都是冷门，在大众中更没人在意，但周围的气氛表明他错了。不管对物理学了解多少，所有人都意识到这是科学史上的关键时刻，也是人类历史上的关键时刻。

1965年夏天，在爱丁堡大学的一间办公室里，一个腼腆谦虚的人在一篇被拒绝发表的论文中加上了两个句子，预测了迄今出乎意料的有质量粒子的存在。现在，将近40年后，有史以来最复杂的机器（其成本约为50亿欧元）被建造并启动，还找到了这种粒子。[161]或者还没有？

“是希格斯粒子吗，巴特沃斯教授？这真的是希格斯粒子吗？”问题来了。

“到底是不是希格斯粒子？”

“我们认为是希格斯粒子，但需要做更多的工作来确定。知道它是一种新粒子还不够让人兴奋吗？一种新粒子哎!”

但这对记者来说真还不够。他们总是无情地反复提出这个问题“你们找到希格斯粒子了吗”？这让巴特沃斯觉得既滑稽，又沮丧。

巴特沃斯不愿意做肯定的回答，因为看起来像希格斯粒子的东西，并不意味着就是希格斯粒子。巴特沃斯和同事们需要测量新粒子的性质——量子自旋和其衰变的精确细节——以查看是否那就是标准模型中的希格斯玻色子。但巴特沃斯从内心深处认定它就是，这东西看起来像希格斯玻色子，这家伙闻起来也像希格斯粒子。终于，他们找到了希格斯粒子。

希格斯粒子的发现具有里程碑意义。它是标准模型的最后一块拼图，是350年科学研究的巅峰之作。我们已经确定了宇宙的基本组成部分，并了解了将它们结合在一起的力量。一切事物的存在——你和我、消化饼干、蜗牛、肥皂剧、长颈鹿、恒星和星系——都是为了服从局域规范对称性，这是一切事物呈现的简单原理。

没人知道，为什么大自然如此强烈地希望服从局域规范不变性。用伟大的意大利物理学家恩里科·费米的话来说，“在我来这里之前，我对这个问题感到困惑。听完你的演讲，我仍然很困惑。但困惑来自更高层次”。但是希格斯粒子的发现有力地证实了科学的力量——科学的核心魔力。在这个发现中，人们看到，先在数学方程中编造描述自然的事物，然后再到数学之外的现实世界中去寻找它们。弗兰克·克洛斯表示：“那个写在纸上的方程式可以认识自然，并且48年之后的实验能证明这种认识，很了不起。‘了不起’这个词被人用烂了，但用在这里恰如其分。”[162]

希格斯粒子在标准模型中是独一无二的。因为既没有电荷，也没有量子自旋，所以在基本玻色子中，它是唯一不载力的玻色子，是非规范粒子。事实上，这是迄今为止发现的第一个自旋为0的粒子。电磁力、弱核力和强核力的载体都有自旋1，而假设的引力载体引力子（graviton）预计自旋是2。

希格斯玻色子的质量是质子的126倍，是迄今为止发现的最重的亚原子粒子。由于质量如此之大，它与其他重粒子如顶夸克、底夸克和重的τ轻子的相互作用最为频繁，而且它的行为与理论预测完全一致。没有理由相信它不会像预测的那样，与较轻的夸克和轻子相互作用。然而，这样的相互作用是罕见的，需要更多的数据来证实，就像即将观察到的希格斯粒子与自身的相互作用一样。

虽然希格斯粒子很重要，但它只是希格斯场中短暂划过的涟漪，其真正的意义在于确认希格斯场本身的存在，并揭示场的性质。希格斯场一直是关键所在，与发现一种新的亚原子粒子相比，希格斯场才是更深奥的实体，更具有发展前景。

希格斯场是全新的东西。如前所述，其他场在真空中都为0。那些场可能会因为量子的不确定性而有所振**，但整体平均为0。然而，希格斯场在空间中的任何地方都不是0，并且因为它无处不在，宇宙中的一切都终生沉浸其中。直到2012年7月4日，这还只是一种理论。但是现在，因为已经在希格斯场中观察到了涟漪——希格斯玻色子，我们知道它的确存在。每1个费米子（每1个夸克和轻子）都在不断地与之相互作用。就像W+、W-和Z0一样，这些粒子本质上是无质量的，但与希格斯场的相互作用赋予了它们质量，并且作用强度决定了质量的大小。[163]几个世纪以来，人们所称的质量，现在被认为是基本粒子和希格斯场相互作用的结果。

那么希格斯玻色子本身的质量是从哪里来的呢？好吧，它是通过与自身的相互作用来获得质量的——等着瞧吧!

这里有个附带条件。虽然有两个独立的机制赋予粒子以质量——W+、W-和Z0通过戈德斯通玻色子的交互作用获得质量；费米子（包括希格斯玻色子）与希格斯场的交互作用获得质量——但这些机制仅产生了你身体质量的1%。这是因为你身体的主要组成部分是夸克，而夸克的大部分质量并不是由希格斯玻色子，而是由爱因斯坦的狭义相对论来解释的。在原子核的质子和中子内部，夸克以接近光速的速度运动，正如爱因斯坦指出的，当物体以接近光速运动时，质量会变得更大。[6]

如果在筹建大型强子对撞机时，物理学家们对政客说，这个设备能找到1%质量的产生原因，政客们大概不会支持建造大型强子对撞机。但这1%是至关重要的，因为如果没有希格斯玻色子，你体内的夸克和电子将是无质量的。这意味着这些粒子将以光的速度运动，从而不会停留在原子中，那么一切物质都会分崩离析。没有希格斯场，你和我、恒星和星系都不会存在。

当然，这正是大爆炸极早期的情况。在那种高能量状态下，所有粒子都是无质量的，以光速运动的，其相互作用的方式与今天的低能量宇宙完全不同。小说家莱斯利·珀斯·哈特利（L。P。Hartley）在《一段情》（TheGo-Between）一书中写道：“过去是另一个国度：那里的人做不一样的事。”作为人类，发现这一点是我们的伟大胜利。正是希格斯场的开启，让整个世界成为可能。

然而，关于希格斯场，我们只知道它存在，但不知道它的起源，也不知道为什么它在真空中的平均值不为0，或者它是否真的是世界的基本构成。可以想象，希格斯场可能是像质子和中子这样的场的组合，质子和中子是由3个独立的夸克场组成的。物理学家们希望通过对希格斯玻色子的深入理解，能够获得新的物理洞察力。因为尽管标准模型非常成功，但其中包含了太多人为添加的和令人费解的因素。

许多事情物理学家们根本就不知道，比如，基本粒子的质量为什么是这样的——顶夸克的质量为什么比中微子大了近1万亿倍？基本力之间的相对强度是怎样形成的，为什么电磁力竟然是万有引力的1040倍？为什么会有3个家族的夸克和3个家族的轻子，每一代的质量都比上一代大？更为重大的问题是，在标准模型中没有引力或暗物质的任何位置，尽管已知暗物质比恒星和星系中的可见物质多6倍。标准模型是更高层次理论的近似，而更高层次的理论正是每个人都渴望发现的。

[1]使物体运动的粒子。

[2]不管物体的运动速度如何，每个人看到的怎么可能都是一样的呢？想象一下彩虹，已知颜色是光波相邻的两个峰值之间距离的量度，有些光波的波长比可见光短，有些比可见光长。按照惯常说法，彩虹有7种颜色。可以用从1到7的数字对这些颜色进行编号，1表示最长的波长，7表示最短的波长。事实证明，“颜色”的数量是无限的，可以把它们标记为“-∞”到“+∞”。现在想象它们都存在于空间中。如果你以恒定的速度相对它们飞行，则所有的波看起来都会出现压缩，或“多普勒频移”，所以1会变成2，2会变成3，依此类推。然而，以这种方式移动所有颜色，其结果仍然是一组从负无限跨越到正无限的颜色。因此，不可能用来说明你正在相对于光移动。从某种意义上说，所有颜色的确都存在于空间中。因为根据量子理论，电磁场的每个振动“模式”都必须包含最小的能量。这适用于电磁场的原理，也适用于所有的场，包括希格斯场。

[4]构成物质的基本单位的夸克和轻子是费米子，而把它们结合在一起的载力子是玻色子。所有常规物质都是由这4种粒子构成的：上夸克和下夸克，以及电子和电子中微子（原子核中的质子由2个上夸克和1个下夸克组成，而中子由2个下夸克和1个上夸克组成）。其他夸克和轻子只是这些粒子的较重形式。而为什么大自然选择使其基本构成部分翻3倍，这确实是个谜。

[5]西格玛是一种概率量度：值越大，物理学家就越确信结果是真实的，而不只是偶然结果。置信度为“5-西格玛”时，物理学家们确定，出错的可能性是200万分之一，这就是为什么吉亚诺蒂用“5-西格玛”作为证据的原因。

[6]因为距离越远，夸克之间的强核力就越强，由此推知距离越近，夸克之间的强核力就越弱。在质子和中子内部，强核力是如此之弱，以至于夸克就像是自由粒子。这被称为渐近自由。