中國期待建造“希格斯粒子工廠”捕捉上帝粒子

歐洲大型強子對撞機內(nèi)部

２０１３年諾貝爾物理學(xué)獎授予比利時物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學(xué)家彼得·希格斯，以表彰他們提出希格斯機制并成功預(yù)測希格斯玻色子的存在。對諾貝爾獎花落希格斯玻色子該如何解讀？發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子對人類認(rèn)識宇宙有什么重大意義？中國科學(xué)家對發(fā)現(xiàn)該粒子做出了哪些貢獻？近日，本報記者就這些問題專訪了幾位中國物理學(xué)家。

“實至名歸”和“期盼已久”，中科院院士、中科院高能物理研究所研究員陳和生用兩個詞來描述今年諾貝爾物理學(xué)獎的歸屬。他說，被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子對標(biāo)準(zhǔn)模型理論來說是關(guān)鍵粒子，經(jīng)全世界物理學(xué)家近半個世紀(jì)的努力才發(fā)現(xiàn)了它。

什么是標(biāo)準(zhǔn)模型？它是物理學(xué)用來解釋自然界最深層物質(zhì)結(jié)構(gòu)的粒子物理基本理論，它的成功被大量的高能物理實驗所證實，但是，在歐洲大型強子對撞機（LHC）實驗之前，標(biāo)準(zhǔn)模型中解釋基本粒子質(zhì)量來源的希格斯粒子一直沒有在實驗上被觀測到，也使得希格斯粒子成為標(biāo)準(zhǔn)模型里唯一未被實驗發(fā)現(xiàn)的粒子。

“也正因如此，尋找希格斯粒子以解釋宇宙間物質(zhì)的質(zhì)量起源成為過去幾十年許多大型高能粒子物理實驗的最重要物理目標(biāo)，而2012年在LHC的ATLAS和CMS實驗中發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，也被認(rèn)為是物理學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型建立后的近幾十年來最重要的發(fā)現(xiàn)?！盇TLAS國際合作組中國組負(fù)責(zé)人、中科院高能物理所研究員金山告訴記者。

歐洲核子研究中心去年７月宣布，該中心的兩個強子對撞實驗——ＡＴＬＡＳ和ＣＭＳ項目發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，它的許多特征與希格斯玻色子一致。隨后該中心于今年３月稱，更多數(shù)據(jù)分析表明“它就是希格斯玻色子”。

據(jù)中科院高能物理所研究員張新民介紹，希格斯粒子是一種構(gòu)成宇宙萬物的基本粒子，其他的基本粒子包括夸克和輕子以及傳遞他們之間相互作用的規(guī)范玻色子，但希格斯粒子與這些基本粒子不同。“沒有它，其他基本粒子都是沒有質(zhì)量的， 都將以光速在運動，會聚集不起來，形不成今天看到的宇宙，更談不上生命?？梢哉f希格斯粒子是我們宇宙萬物形成的基礎(chǔ)，是質(zhì)量產(chǎn)生之源?！?/p>

當(dāng)公眾沉浸在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的興奮中時，冷靜的科學(xué)家提醒道，它是重大進展，卻并非終點。

在當(dāng)下的討論中，希格斯粒子常和宇宙學(xué)研究聯(lián)系在一起。對此，陳和生認(rèn)為，討論希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)對宇宙學(xué)研究的具體影響還為時尚早?！艾F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的是希格斯粒子，但它到底是標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，還是超對稱模型的粒子，這有待進一步研究。如果被證明是后者，那可以解釋暗物質(zhì)?！?/p>

張新民說，目前還不能解釋希格斯粒子為什么比質(zhì)子重125倍。理論計算表明，對于這樣重的希格斯粒子，宇宙是不穩(wěn)定的，將在數(shù)十億年以后毀滅。這說明，目前的理論模型還要進一步完善，還需要進一步研究希格斯粒子 。

張新民同時強調(diào)：“更重要的是，除可見物質(zhì)外，宇宙中其他的95%是暗物質(zhì)和暗能量，超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。所以，發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，是粒子物理學(xué)的一個重大進展，但不是終結(jié)。”

對于希格斯粒子的進一步研究，在金山看來，研究希格斯粒子的性質(zhì)以及在LHC實驗中尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理信號尤其是尋找超對稱粒子,成為今后高能粒子物理實驗的熱點。

在全世界將目光投向神秘的“上帝粒子”時，我們會發(fā)現(xiàn)在尋覓其蹤影的征程上，也有中國科學(xué)家的身影。“從探測器建造到數(shù)據(jù)分析，中國科學(xué)家做出了重要貢獻?！标惡蜕f。

發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的ATLAS和CMS實驗是目前世界上規(guī)模最大的高能物理實驗，每個合作組有約3000名成員。在科技部、中科院等支持下,一批中國科學(xué)家參加了這兩個大型實驗。

據(jù)金山介紹，ATLAS中國組在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的3個主要衰變道的物理分析中做出了直接貢獻，CMS中國組則承擔(dān)了繆子探測器的建造任務(wù)。

“我們承擔(dān)一部分探測器的建造任務(wù)，得到了很高的國際評價。此外，中國專家在數(shù)據(jù)分析過程中提出來的一些分析方案，對分析結(jié)果起了很大作用?！睂τ诜治龅碾y度，陳和生打了一個形象的比喻：“就像從一大堆沙子里挑一粒金沙。”

金山認(rèn)為，中國科學(xué)家的貢獻說明我們有能力參與世界最前沿的大型實驗的合作與競爭，并對人類文明進步的重大成果做出貢獻。他坦言，如果能夠在中國建造一個周長為50公里-70公里、能量為250GeV左右的環(huán)形正負(fù)電子對撞機“希格斯粒子工廠”，并在將來能夠升級到能量是50TeV左右的超級質(zhì)子對撞機，就能使我國在研究希格斯粒子性質(zhì)和尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理領(lǐng)域占有全面國際領(lǐng)先地位。（原標(biāo)題：中國期待建廠捕捉“上帝粒子” 趙曉霞 來源：人民日報海外版）

新聞來源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/10/284330.shtm