如果把一個(gè)東西切得越來越小，會(huì)發(fā)生什么？ “一尺之棰，日取其半，萬世不竭。”在以莊子為代表的中國(guó)古代樸素唯物觀中，物質(zhì)可以被無窮盡地分割。不過，這種觀點(diǎn)一直未獲實(shí)驗(yàn)證明。那么，物質(zhì)的最小單元究竟是什么？
為探索這一問題，物理學(xué)家提出了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。這個(gè)模型對(duì)已知基本粒子進(jìn)行了分類，并預(yù)言了若干新粒子。但在探索這一模型的過程中，物理學(xué)家遇到另一個(gè)嚴(yán)峻的問題——標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子在理論上都不具有質(zhì)量，但現(xiàn)實(shí)中它們是具有質(zhì)量的。那么，質(zhì)量從何而來？
于是，關(guān)于希格斯粒子的預(yù)言出現(xiàn)了。物理學(xué)家認(rèn)為，希格斯粒子賦予這些基本粒子質(zhì)量。也正因這個(gè)特性，希格斯粒子被大眾賦予了一個(gè)“外號(hào)”——“上帝粒子”。
2013年10月8日，兩位歐洲物理學(xué)家——弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因?yàn)轭A(yù)測(cè)了上帝粒子的存在，被瑞典皇家科學(xué)院授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
2014年的整整一年里，對(duì)上帝粒子的觀測(cè)已然位列物理研究“熱門排行榜”之首。以中科院為主要機(jī)構(gòu)的中國(guó)科學(xué)家也緊跟這一研究前沿。
發(fā)現(xiàn)“最后”一個(gè)粒子
早期的物理教科書中，原子被認(rèn)為是物質(zhì)世界最微小的存在。隨后，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原子還能分。
粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，“基本粒子”才是最小的粒子。1995年，當(dāng)美國(guó)的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布其發(fā)現(xiàn)了頂夸克粒子時(shí)，組成標(biāo)準(zhǔn)模型的61個(gè)基本粒子中，有60個(gè)已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
至此，僅一步之遙，預(yù)言便能圓滿。而最后的那個(gè)粒子，就是來無影去無蹤、一出現(xiàn)便會(huì)迅速衰變成其他粒子的希格斯粒子。關(guān)于它的預(yù)言，能解釋一個(gè)困擾科學(xué)家許久的問題：粒子的質(zhì)量到底從何而來？
面對(duì)困惑，無數(shù)種猜想隨之而生。1964年，包括彼得·希格斯在內(nèi)的3位歐洲物理學(xué)家，提出了一個(gè)新想法，預(yù)言了希格斯粒子的存在。
希格斯認(rèn)為，就像蒼蠅被蜜糖黏住一樣，在137億年前的宇宙大爆炸中，其他粒子處在一種由特殊粒子構(gòu)成的場(chǎng)中，并受其作用而無法以光速穿過宇宙，從而獲得質(zhì)量，結(jié)合在一起。這種特殊的粒子比原子小，后來被稱為“希格斯粒子”。
“好比人在水里行走時(shí)，水對(duì)腿的阻力會(huì)讓人感覺腿很重?！北本┐髮W(xué)物理學(xué)院教授冒亞軍在接受記者采訪時(shí)如是形容這種獲得質(zhì)量的感覺。
2012年7月，歐洲核子中心（CERN）向世界宣布，他們探測(cè)到了希格斯粒子衰變成其他粒子的跡象，證實(shí)希格斯粒子確實(shí)存在。
消息一出，物理學(xué)界為之震動(dòng)。一年后，預(yù)言“上帝粒子”的3位歐洲物理學(xué)家中還在世的兩位，摘得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。對(duì)希格斯粒子的觀測(cè)和研究也由此成為熱點(diǎn)。
一切還只是開始
預(yù)言被證實(shí)，讓科學(xué)家興奮不已。不過，這依舊沒讓他們滿意。
“標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋暗物質(zhì)?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T陳國(guó)明告訴記者，“宇宙學(xué)研究預(yù)示著宇宙中存在大量特殊物質(zhì)，這種物質(zhì)能產(chǎn)生引力，但不發(fā)光，也不反射光，被稱為暗物質(zhì)，而這是標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的?！?/p>
正因如此，探索之路遠(yuǎn)沒到終點(diǎn)。“標(biāo)準(zhǔn)模型肯定還有問題。”陳國(guó)明說。
物理研究，總是充滿想象。在數(shù)不盡的各種模型中，與標(biāo)準(zhǔn)模型同處聚光燈之下的，還有另一個(gè)模型——超對(duì)稱模型。
1966年，為補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)模型的漏洞，日本粒子物理學(xué)家宮沢弘成首次提出超對(duì)稱理論，其被認(rèn)為可解釋暗物質(zhì)的存在。但這個(gè)被物理學(xué)家公認(rèn)為“優(yōu)美”的模型，有個(gè)“致命傷”——從未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)工作組成員約旦·納什曾滿臉失望地說：“我們至今未能找到任何直接或間接的證據(jù)證明這一理論。這說明要么我們對(duì)這一理論的理解是不全面的，要么它的本質(zhì)和我們所想還存在差異，再或者就是這種超對(duì)稱的粒子根本就不存在?！?/p>
不過，LHC的改造升級(jí)，為尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象帶來了新的希望。
升級(jí)后的LHC，能輸出的最大能量將從過去的8萬億電子伏特，提升到13萬億電子伏特。不僅如此，對(duì)撞的粒子束將更密集，使對(duì)撞更加猛烈。這些將成為發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象的“好幫手”。在今后的15～20年里，LHC預(yù)期將獲得大約比現(xiàn)在多100倍的數(shù)據(jù)。
陳國(guó)明告訴記者，一旦發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，超越標(biāo)準(zhǔn)模型的其他設(shè)想就有了被證實(shí)的可能，更多的物理現(xiàn)象也將得到解釋。
“我們現(xiàn)在對(duì)希格斯粒子性質(zhì)的測(cè)量還不夠精確、深入。這次改造完成后，LHC還將進(jìn)行多次升級(jí)，預(yù)期未來將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多重要的物理現(xiàn)象?！敝锌圃涸菏筷惡蜕f。
“中國(guó)隊(duì)”的蛻變
25年前，陳國(guó)明還是中科院高能物理所的博士生。跟著導(dǎo)師唐孝威的步伐，并在陳和生的指導(dǎo)下，他成為CERN的一員，踏上了找尋上帝粒子之旅。那一年，他30歲出頭。
25年后的今天，高能所培養(yǎng)的博士陳明水不僅成了CERN的一員，還擔(dān)任了緊湊μ子線圈（CMS）實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組希格斯粒子綜合分析組組長(zhǎng)。2012年，CMS內(nèi)部決定性的、對(duì)希格斯粒子發(fā)現(xiàn)的評(píng)審報(bào)告，就是由他作的。那時(shí)，他也在30歲出頭的年紀(jì)。
在陳國(guó)明的記憶里，這是蛻變的25年。
“1989年，跟國(guó)際上的科研人員相比，我們就是學(xué)生。剛開始時(shí)，數(shù)據(jù)來了，我卻眼前一抹黑，不知道怎么弄?！蹦菚r(shí)，陳國(guó)明還在美籍華裔諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（lep）l3實(shí)驗(yàn)組工作。
令人欣慰的是，這種“學(xué)生時(shí)代”到lep項(xiàng)目后期時(shí)結(jié)束了?！暗絃HC階段時(shí)，我們和歐美科研人員就可以站在競(jìng)爭(zhēng)合作的平臺(tái)上了。”陳國(guó)明說。
陳和生告訴記者，從2004年起，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等機(jī)構(gòu)，對(duì)尋找希格斯粒子的物理研究準(zhǔn)備工作給予了很大支持?！白罱瑖?guó)家自然科學(xué)基金委作了安排，支持我們參與探測(cè)器的改造升級(jí)，包括2017～2018年一期改造升級(jí)的準(zhǔn)備工作，以及2023年左右二期改造升級(jí)的前期預(yù)研工作?！标惡蜕f。
“在希格斯粒子的尋找上，我們貢獻(xiàn)的比例已超過我們參與國(guó)際合作人數(shù)的比例。”陳和生說。
他介紹說，目前圍繞著尋找希格斯粒子開展的實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)主要參與了CMS和超環(huán)面儀器（ATLAS）兩個(gè)大型實(shí)驗(yàn)。其中，參加CMS的有中科院高能所、北京大學(xué)和清華大學(xué)；參與ATLAS的除了中科院高能所，還有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)等高校。
“我們的隊(duì)伍還在不斷擴(kuò)大?！标惡蜕f。
如今，中國(guó)的高能粒子研究領(lǐng)域中，還有不少30歲出頭的年輕科學(xué)家，走在找尋上帝粒子的征途上。
微議
從古至今，人類一直在揣測(cè)，我們生存的世界到底是什么樣子的？我們究竟從哪里來？2014年，物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，仍在為解決這樣的哲學(xué)問題而努力。
早在2010年3月30日，瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）首次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的高能量質(zhì)子對(duì)撞，標(biāo)志著人類對(duì)微觀世界探索的新時(shí)代到來。LHC上的兩個(gè)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)——ATLAS和CMS，將最重要的物理目標(biāo)鎖定為尋找希格斯粒子，以及觀測(cè)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。
2012年7月，CERN宣布，ATLAS和CMS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為125～126gev的“類似希格斯粒子”。2012年9月，這些研究成果發(fā)表。截至2013年年底，這兩篇論文的被引頻次為1905次，為2012～2013年間發(fā)表的被引頻次最多的物理學(xué)研究論文，成為2013年物理學(xué)領(lǐng)域的新興前沿。
2014年，這一新興前沿依舊熱門。那些正在觀測(cè)希格斯粒子的科學(xué)家試圖揭開“上帝”的面紗，將人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)向前推一步。
對(duì)包括希格斯粒子觀測(cè)在內(nèi)的微觀世界探索，我國(guó)未曾落下。1998年，國(guó)家自然科學(xué)基金委代表中國(guó)，與CERN簽訂合作協(xié)議，參與LHC實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作。中國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)器建造、數(shù)據(jù)分析和物理研究作出了重要貢獻(xiàn)。
2015年的春天，LHC升級(jí)改造將會(huì)完成，這將成為物理學(xué)界的又一盛典。誰又能知道，屆時(shí)這臺(tái)受世界矚目的設(shè)備，會(huì)碰撞出怎樣不可思議的新現(xiàn)象。無論是驚喜，還是困惑，對(duì)希格斯粒子特性的研究一定會(huì)將人類的認(rèn)知向前推進(jìn)一步。
（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2014年12月24日第1版）
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