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日志

 
 

“上帝粒子”预言半世纪后终获证实 预测者获诺奖(转载Petrel)  

2013-10-09 11:26:09|  分类: 听大家言@报告厅 |  标签: |举报 |字号 订阅

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内容简介

  “上帝粒子”研究得了诺贝尔奖。2012年7月4日,瑞士梅兰,斟酌,再斟酌,科学家宣布发现新粒子,特性与“上帝粒子”即希格斯玻色子的理论描述高度吻合。2013年10月8日,瑞典斯德哥尔摩,推迟,再推迟,物理学奖比原定时间晚一个小时公布,弗朗索瓦·恩格勒特与彼得·希格斯最终获奖。

  众望所归。

  “上帝粒子”的美,不只上帝看得到

  万物为什么会有质量?对于我们来说,这是踩到体重秤上后才会想到的问题,但对恩格勒特与希格斯来讲可不是这样。

  上世纪60年代,基于杨—米尔斯理论的非阿贝尔规范场理论兴起,并建构成为现代的标准模型理论。其唯一的缺憾是并没有描述到重力,而杨—米尔斯理论应用在弱相互作用和强相互作用中,遇到的主要障碍也正是质量问题。因此标准模型不是一套万有理论,其尚缺一块基石。

  这块基石,被英国物理学家彼得·希格斯预言为标准模型中最后一种未被发现的粒子——希格斯玻色子,也就是“上帝粒子”。

  但希格斯机制的提出绝不是一人之力。1964年,比利时理论学家罗伯特·布绕特(已故)和弗朗索瓦·恩格勒特首先提出了量子场方程,在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。同年,彼得·希格斯提出了同样的方程,并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。而随后另一组研究者将这些概念整合成了一种更为现实的理论。

  这个被假定为一种遍布于宇宙的量子场,后来称为希格斯场。W玻色子和Z玻色子在与这个场的某种相互作用获得了它们的质量,费米子则通过另外一种相互作用获得了质量。而遵照量子场论,每一种量子场都有其特定的演化方式,其能量呈一团团的,集中在一起,这些能量团可以诠释为对应于这量子场的粒子。譬如说,电磁场的能量团称为光子,希格斯场的能量团,就称为希格斯玻色子。

  若该粒子出现,物质质量起源之谜也将会揭开;若该粒子不存在,理论上只能要求所有粒子无一例外地必须完全没有质量,这无疑与现行的实验观察相矛盾。令人震惊之处就是:物理学家们若要重新评估该论述,其意义可不只是一条理论的修改,而是一场颠覆。

  于是希格斯玻色子,成了整个亚原子界最闻名遐迩却最令人迷惑的小东西,长期以来其踪迹占据着整个粒子物理学界的研究中心。它的标准含义是“粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子”,它的身份描述两个字就可以:神秘——用今天的话来说,叫不明觉厉。

  鉴于该粒子恼人的特性,1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼在一本科普着作中将其称为“该死的粒子”(Goddamn particle)。后来出版商觉得不妥,于是简化为“God particle”,就是今天着名的说法:“上帝粒子。”

  原则上和上帝没有任何关系。

  曾经每年都是“上帝粒子之年”

  世人对希格斯玻色子仰慕已久,却无缘识荆。但理论和实验的发展,让人们对所需的能量有了一个很好的估计:希格斯玻色子的质量必定介于100GeV到400GeV之间。这就需要找一个相当巨大的机器才行——譬如欧核中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC),或者费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)。

  这两台加速器,都试图通过粒子之间的高能对撞来制造出神秘的希格斯玻色子。前前后后多次曾宣称或已“瞥见”了希格斯玻色子的蛛丝马迹,让媒体对“上帝粒子”可能已现身世间的消息捕风捉影,随后又指责实验室“探索不歇,忽悠不止”。

  不过,在数据尚未足够也未经严格验证的情况下(担心计算机模型缺陷、统计数据错误等原因),两实验室绝对不敢言之凿凿。这也让他们经常被怀疑是否常年累月的在坑实验经费。

  LHC其实启动已有多年,世人早已熟知将质子加速并进行碰撞,一直都是欧核中心科学家们开展研究的主要方式,且每一次新实验都能被称为“在碰撞能量方面达到了一个新的层次”。

  但这台机器的缺点就是小伤小病不断,被形容为“除了事故外,都保持着稳定的运行状态”。而自迈入2012年,LHC开始了“孤身作战”。它的老对手兼老友——费米实验室那架可怜的万亿电子伏特加速器,因为经费一直无着落,在奋力运转了26年之后,无奈关停,只能回溯分析以往的数据。新希望由LHC一肩承担。

  重压之下,2012年4月,LHC一次碰撞的两束质子束流各自携带有4万亿电子伏特的能量。双方在4个交汇点发生对撞后,整个碰撞的总能量达到8万亿电子伏特,创造了一项新的世界纪录。能量的增加,无疑提高了希格斯玻色子被发现的几率,也给CERN的工作人员带来更为细致的数据筛选要求,

  不得不承认的是,实验室和加速器们的质子束流碰撞试验,无论从物理学的意义和科学发展的水平来看,都值得予以敬意。

  自2012年7月4日起

  这是个值得铭记的日子。在那天CERN宣布了“过去30年甚至40年间物理学最大的新发现之一”。北京时间2012年7月4日下午,LHC的实验装置之一、CMS(紧凑缪子线圈)项目发言人首先发布,他们以4.9西格玛(sigma)的水平,在125.3GeV(±0.6GeV)质量范围内发现新粒子。

  紧随其后,LHC另一实验装置ATLAS(超导环场探测器)发言人称,他们观察到的数据明确标志着一种新的粒子,确定性水平可达5西格玛,质量约在126GeV附近。

  希格斯玻色子其实无法直接观测到,但可以通过观测到某种粒子衰变之后产生的光子等其他粒子,反推这些光子会不会是大型强子对撞机中粒子碰撞产生的希格斯玻色子衰变出来的。而西格玛作为统计术语用来表示标准偏差,在粒子物理学领域,拥有5西格玛水平的确定性(其在统计学上为“真”的比率是99.999%)才能算一项真正意义上的物理发现。

  因而针对此次结果,欧核中心主任霍伊尔在媒体发布会上将其称之为一次“发现”,并将其描述为“发现了一种和希格斯玻色子的性质非常相符合的粒子”。他认为这是人们“理解自然的一个里程碑”,并补充道,以一个外行人的角度来说,他们已经发现它(希格斯玻色子)了;但从一个内行的角度来说,尚需要更多的数据。

  而今一年多时间过去,有人依然对新粒子持怀疑及否定态度;有人开始操心起物理学的未来命运。但在CERN那边,支持这种亚原子粒子存在的证据仍不断增加中。

  CERN的物理学家们已分析了铺天盖地的信息,数据总量是发现那时的2.5倍。今年3月,团队已对外宣布,新粒子至少有两点“希格斯特征”:一是自旋为零;二是处于低能正宇称态。其数据中不符合期望的值,不久后被判断为不具有影响整体结果的意义,其他的表现都恰如预期,让人越看越觉得,“它”就是一直所企盼的结果。

  这个具备了希格斯粒子“五脏六腑”的新丁,真的就是那个答案吗?似乎只缺一个承认。

  而在科学界,没有什么比诺贝尔奖更适合做这件事。

  半世纪与一小时

  北京时间10月8日晚,诺贝尔物理学奖公布两度延迟,最终比原定时间晚了一个小时发布。现场死盯和场外刷屏的媒体焦心熬过这一小时。其实对当事人——两位诺奖得主来讲,这是半个多世纪的等待。

  紧闭的门内,争议的内容无从得知。在结果公布前,没人得知“上帝粒子”的新证据能否叩开这扇物理学界最高奖项的大门。但外界评论普遍并不怀疑希格斯粒子这项研究得奖是否实至名归,而相信,如果有争议,其要点应该是“颁奖给谁”这个问题。

  在外媒预测中,彼得·希格斯一直是呼声最高的物理学奖潜力得主。尽管部分诺贝尔奖项观察家们持保留态度,但早在去年这个时间,距离发现希格斯玻色子的发布会不过仅3个月,彼得·希格斯本人就成为了2012年夺奖的热门人选。常赌常败的霍金,在希格斯粒子一事上认栽后,也很大方的请诺贝尔奖评委会关注一下彼得·希格斯。

  此前也有声音认为,希格斯粒子被发现的最终答案几乎已为“肯定”——那么新的问题则是:都该由谁来共享此殊荣?从理论的建立来讲,在1964年间,先后有6位物理学家在4个月期间出版了一系列关于该理论的相关文章,每个人的研究都可说是站在其他人的肩膀之上;而从粒子的发现过程来看,则更为复杂,因为有数以千计的物理学家在CERN从事着相关研究。

  因而,让诺奖评审们头疼的问题可能并非判定该发现是否有资格得奖,而是在决定该奖颁给理论派还是实验派,抑或两方都该给予表扬?

  法国原子能委员会物理学家艾蒂安·克莱因在2012年接受采访时就表示,希格斯玻色子最终赢得诺贝尔物理学奖是十拿九稳的事,他建议评审们“冒个险”把奖杯颁给三方:彼得·希格斯、当年构建理论的另一名物理学家弗朗索瓦·恩格勒特以及欧核中心(现在看来他的预测中了一大半)。

  而据诺奖委员会官方推特称,在接到得奖通知后,两位得主之一的恩格勒特表示十分开心,今后他还有很多“大问题”要去研究,关于奖金什么的,老人家暂时还没想到怎么花。至于希格斯,截止到本文完成时,诺奖委员会还没联系上他。

 

资料来源:科技日报


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