如何让质量无中生有?
2013年3月14日,欧洲核子研究组织(CERN)正式宣布,LHC(大型强子对撞机)的紧凑渺子线圈(CMS)和超环面仪器(ATLAS)于2012年7月4日,测量到了被称为“上帝粒子”、具有零自旋与偶宇称特点的希格斯玻色子(Higgs boson)。欧洲核子研究中心可以说是世界上粒子物理研究最前沿的地方。二十多年以前,万维网在这儿悄然诞生,之后的发展有目共睹。
2012年,CERN宣告找到“上帝粒子”的消息震惊了全世界。第二年,诺贝尔奖委员会将2013年的物理学奖授予了与此相关的两位理论物理学家:弗朗索瓦·恩格勒(François Englert, 1932-)和彼得·希格斯(Peter Higgs,1929-)。
LHC隐藏在100米深的地下,位于一个周长27公里的巨大环形隧道内。
当年,世界各国的科学团体联合建造这个世界上最大粒子加速器的主要目的,就是寻找希格斯粒子。这也是一台世界上最昂贵的“显微镜”,几年来,世界各国合作总耗资达130亿美元,上万人为此日夜辛勤工作,目的就为了追踪一个平均寿命只有1.56×10−22秒(s)的小小的基本粒子。这个不平常的“短命鬼”并非天然存在,因此,与其说是LHC“发现”了希格斯粒子,还不如说是“制造”出了希格斯粒子。
事实上,科学家们是让LHC隧道中的两束质子,以每秒11245圈的速度(接近光速)狂奔后相撞,在极小的空间内爆发出等于十万倍太阳温度的超高温,并释放出大量的能量和粒子,希格斯粒子就有可能产生其中。
虽然有人将其称之为“上帝粒子”,但希格斯粒子与上帝,或者与上帝的存在与否,毫不相关。事实上,它的意义是为大多数物理学家所认可的“标准模型”理论中其它的基本粒子提供了一个“质量来源”的机制。
物理学的本质是“追根溯源”,寻求“万物之本”。质量,在经典物理中是无可非议的存在,但在现代物理的“标准模型”中,却要煞费心机地去追溯它的“来源”。什么是标准模型呢?人类在永无止境的探索中,试图将“万物”归纳统一为最少数目的“基本元素”,其中一个描述各种粒子及粒子之间各种相互作用的较成功理论,就是标准模型(Standard Model, SM)。
标准模型中描述相互作用的是“规范场论”(Gauge Theory)。
希格斯机制首先假设所有粒子都没有质量,这些粒子构造出漂亮的规范场理论和标准模型,然后再从规范理论之外寻找一种方法,给所有的粒子加上它应该有的质量。于是,这种“无中生有”的“产生质量”的各种方案应运而生。这其中最简单的并且大多数人最喜欢的一种,便是在1964年分别由三组研究人员独立提出的希格斯机制。
希格斯粒子解决了质量的问题,物理学家们得以在规范场的基础上建立标准模型理论,将除了引力之外的其它三种力,统一在同一个模型中。标准模型包括了61种基本粒子,而希格斯粒子是这些粒子中,最后一个被“发现”的。因此,希格斯粒子的发现,毫无疑问地成为验证标准模型的重要里程碑。