上帝粒子就是希格斯玻色子(或稱希格斯粒子、希格斯子,Higgs boson)是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。它也是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。由英國物理學(xué)家希格斯(P.W.Higgs)提出，稱為希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場引起自發(fā)對稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。也就是說如果沒有這種粒子世界上的物質(zhì)就會(huì)沒有質(zhì)量，某種意義上講是猶如上帝一般的存在。

上帝粒子-簡介

希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，有“上帝粒子”之稱?！吧系哿Ｗ印笔?988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼對希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學(xué)家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個(gè)粒子物理學(xué)界研究的中心，萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。

標(biāo)準(zhǔn)模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一描述，但是在能量低于一定條件后，電磁相互作用和弱相互作用將呈現(xiàn)為不同的相互作用，這被稱為電弱相互作用的對稱性自發(fā)破缺。希格斯粒子就是在標(biāo)準(zhǔn)模型解釋電弱對稱性自發(fā)破缺的機(jī)制時(shí)引入的。

英國物理學(xué)家希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場引起電弱相互作用的對稱性自發(fā)破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。

2008年9月10日開始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider，簡稱LHC)將有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)Higgs粒子。

上帝粒子

自1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開始，直至如今，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，人類一直孜孜不倦的探索著微觀世界的奧秘。1995年3月2日，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室向全世界宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時(shí)，一套稱之為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)模型所預(yù)言的61個(gè)基本粒子中的60個(gè)都已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，看上去標(biāo)準(zhǔn)模型馬上就要獲得決定性的勝利，對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了它的尾聲，似乎人類也馬上就要聽到這一跌宕起伏的，充滿了高潮與華彩的探索樂章的終曲，但是仍然有一個(gè)粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個(gè)幽靈，這就是希格斯粒子，而且就是這個(gè)粒子可能會(huì)擊垮整座大廈。但是也許會(huì)為我們揭示出一條全新的探索旅途。就讓我們先來回顧一下上個(gè)世紀(jì)中期以來粒子物理學(xué)的發(fā)展歷史，以及現(xiàn)在處于主流的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。

上帝粒子-標(biāo)準(zhǔn)模型

粒子物理學(xué)在上個(gè)世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了一個(gè)短暫的困難時(shí)期，按照諾貝爾獎(jiǎng)得主，電弱統(tǒng)一理論提出者之一的斯蒂芬·溫伯格的話來說那是“一個(gè)充滿挫折與困惑的年代”，幾乎當(dāng)時(shí)已經(jīng)應(yīng)用的理論都遇到了很大的問題。這些困惑激勵(lì)著物理學(xué)家們給出新的解答，從60年代開始，基于楊-米爾斯的非阿貝爾規(guī)范場理論，逐步構(gòu)建完成了現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。今天，標(biāo)準(zhǔn)模型早已成為粒子物理學(xué)的主流理論，它的很多預(yù)言不斷為一個(gè)又一個(gè)激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)成果所證實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它屬于量子場論的范疇，但是沒有描述重力。

歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)示意圖

標(biāo)準(zhǔn)模型包含費(fèi)米子及玻色子兩類——費(fèi)米子為擁有半整數(shù)的自旋并遵守泡利不相容原理(這原理指出沒有相同的費(fèi)米子能占有同樣的量子態(tài))的粒子;玻色子則擁有整數(shù)自旋而并不遵守泡利不相容原理。簡單地說，費(fèi)米子組成物質(zhì)的粒子，而玻色子負(fù)責(zé)傳遞各種作用力。電弱統(tǒng)一理論與量子色動(dòng)力學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型中合并為一。這些理論都基于規(guī)范場論，即把費(fèi)米子跟玻色子配對起來，以描述費(fèi)米子之間的力。由于每組中介玻色子的拉格朗日函數(shù)在規(guī)范變換中都不變，所以這些中介玻色子就被稱為“規(guī)范玻色子”。

標(biāo)準(zhǔn)模型所包含的玻色子有：負(fù)責(zé)傳遞電磁力的光子;負(fù)責(zé)傳遞弱核力的W及Z玻色子;負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力的8種膠子。

我們最初提到的希格斯子，也是一種玻色子，然而它與上述這些規(guī)范玻色子不同，希格斯粒子負(fù)責(zé)引導(dǎo)規(guī)范變換中的對稱性自發(fā)破缺，是慣性質(zhì)量的來源，因此并不是規(guī)范玻色子。那么為何質(zhì)量問題如此重要呢?要解答這個(gè)問題，必須回到20世紀(jì)60年代理論探索的開始階段。在研究過程中，楊-米爾理論無論應(yīng)用到弱還是強(qiáng)相互作用中所遇到的主要障礙就是質(zhì)量問題，由于規(guī)范理論規(guī)范對稱性禁止規(guī)范玻色子帶有任何質(zhì)量，然而這一禁忌卻與實(shí)驗(yàn)中的觀測不相符合，如果不能解決質(zhì)量問題，將使得整個(gè)研究失去基礎(chǔ)。一開始人們試圖通過自發(fā)對稱破缺機(jī)制，即打破規(guī)范理論中對拉氏量對稱性的嚴(yán)格要求，使得物理真空中的拉氏量不再滿足這種對稱性，然而到了1962年，每一個(gè)自發(fā)對稱性破缺都被證明必定伴隨著一個(gè)無質(zhì)量無自旋粒子，這無疑也是不可能的。1964年，英國物理學(xué)家希格斯(Higgs)解決了這個(gè)問題，使得自發(fā)對稱性破缺發(fā)生時(shí)，那個(gè)無質(zhì)量無自旋粒子仍然存在，但它將變成規(guī)范粒子的螺旋性為零的分量，從而使規(guī)范粒子獲得質(zhì)量。這一方法被今天的標(biāo)準(zhǔn)模型所借鑒，標(biāo)準(zhǔn)模型通過引入基本標(biāo)量場——希格斯場來實(shí)現(xiàn)謂希格斯機(jī)制。通過希格斯場產(chǎn)生對稱性破缺，同時(shí)在現(xiàn)實(shí)世界留下了一個(gè)自旋為零的希格斯粒子。

這樣我們也就明白了為何希格斯粒子如此重要的原因，可以說它是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，如果希格斯粒子不存在，將使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型失去效力。

上帝粒子-另外的一種模型

美國進(jìn)行的一項(xiàng)新的原子撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所謂的“上帝粒子”實(shí)際上可能是5種截然不同的粒子。一些理論家認(rèn)為希格斯玻色子并不單單指一種粒子，而是多種質(zhì)量相似但所帶電荷存在差萬億電子伏特加速器異的粒子。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

美國伊利諾斯州巴達(dá)維亞費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究人員指出，他們發(fā)現(xiàn)了能夠證明這種“多種粒子理論”的證據(jù)。有關(guān)“上帝粒子”的單一粒子理論就此面臨挑戰(zhàn)。

在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室萬億電子伏粒子對撞機(jī)最近進(jìn)行的一項(xiàng)名為“DZero”的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和反質(zhì)子相撞更多地是產(chǎn)生物質(zhì)粒子而不是反物質(zhì)粒子。研究報(bào)告聯(lián)合執(zhí)筆人、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室理論物理學(xué)家亞當(dāng)·馬丁表示，兩者之間相差很少，不到1%，但無法利用假定只存在一種希格斯玻色子的標(biāo)準(zhǔn)模型加以解釋。同時(shí)他認(rèn)為這種影響實(shí)際上非常小，但如果將標(biāo)準(zhǔn)模型中所有最初原則考慮在內(nèi)，這種影響仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過科學(xué)家的想象。

標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)只存在一種希格斯粒子，無法解釋DZero實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如果科學(xué)家假定希格斯玻色子實(shí)際上是指5種粒子——也就是對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擴(kuò)展，形成雙希格斯二重態(tài)模型——DZero實(shí)驗(yàn)的結(jié)果便可以解釋。亞當(dāng)·馬丁表示，在對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，加入了新的粒子和新的交互作用。新的交互作用對物質(zhì)和反物質(zhì)區(qū)別對待，因此能夠促使實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)更大的影響。

上帝粒子-上帝粒子的最新消息

在上帝粒子的搜尋過程中，有兩個(gè)地方不能不被提到一個(gè)是歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)，另一個(gè)就是美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏特加速器，在這場傳奇般的搜尋過程中這兩家是強(qiáng)勁的競爭對手。

美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

2010年7月14日，意大利帕多瓦大學(xué)物理學(xué)家托馬索-多里戈近日在博客中透露，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室萬億電子伏特加速器(Tevatron)或許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了所謂的“上帝粒子”希格斯玻色子。

盡管這并不是第一次傳出關(guān)于發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的傳聞，但是這無疑是最令人感興趣的一個(gè)消息。作為世界上第二大粒子加速器，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室萬億電子伏特加速器如果能夠戰(zhàn)勝最大的競爭對手大型強(qiáng)子對撞機(jī)首先發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”，哪怕可能性很小，都足以賺足人們的眼球。

多里戈在博客《量子日記生還者》中證實(shí)了該傳聞，并聲稱消息來自兩個(gè)獨(dú)立的來源?！拔覐膬蓚€(gè)不同的，可能是獨(dú)立的消息來源打聽到，萬億電子伏特加速器的一次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子微弱信號存在的證據(jù)。一個(gè)消息來源說是觀察到了‘三倍標(biāo)準(zhǔn)差效應(yīng)’;而另一個(gè)消息來源沒有詳細(xì)解釋，卻提及了實(shí)驗(yàn)得到了一個(gè)意外的結(jié)果。這一結(jié)果肯定來自萬億電子伏特加速器。目前，大型強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)還沒有足夠的數(shù)據(jù)來證實(shí)這種難以捉摸的神秘粒子，而世界上其他物理學(xué)實(shí)驗(yàn)更沒有足夠的能量發(fā)現(xiàn)它。不過，我現(xiàn)在還不太清楚這一傳聞究竟是來自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)粒子探測器中的哪一個(gè)，可能是CDF探測器或是D0探測器?！?/p>

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室萬億電子伏特加速器其中一個(gè)可能發(fā)現(xiàn)上帝粒子的地方

多年來，CDF探測器和D0探測器一直在搜集數(shù)據(jù)，并且已經(jīng)縮小了希格斯玻色子出現(xiàn)時(shí)的可能能量和質(zhì)量探測界限。據(jù)多里戈介紹，去年11月時(shí)兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)共同發(fā)布了一個(gè)改進(jìn)的希格斯玻色子界限。自此以后，研究人員已經(jīng)搜集了更多的數(shù)據(jù)，多里戈估計(jì)數(shù)據(jù)已增加了50%。因此，科學(xué)家們進(jìn)一步縮小了探測界限。2009年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家甚至預(yù)測到當(dāng)年底有50%的可能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。

在多里戈的博客中，所謂的“三倍標(biāo)準(zhǔn)差效應(yīng)”是指一種關(guān)于結(jié)果確定性的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也就是說從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講該實(shí)驗(yàn)結(jié)果有99.7%的可能性是希格斯玻色子。一般說來，一個(gè)“三倍標(biāo)準(zhǔn)差效應(yīng)”并不能夠證明結(jié)果的確定性，而一個(gè)“五倍標(biāo)準(zhǔn)差效應(yīng)”(正確的可能性達(dá)99.9999%)通常被認(rèn)為確定性的程度已高到足以證明一個(gè)完全合理的新發(fā)現(xiàn)。不過，“三倍標(biāo)準(zhǔn)差效應(yīng)”仍然意味著這是希格斯玻色子存在的一個(gè)強(qiáng)有力證據(jù)。

但是，7月15日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一位發(fā)言人聲稱，“關(guān)于希格斯玻色子已被發(fā)現(xiàn)的謠言，沒有任何價(jià)值。”在星期二，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在其“推特”中發(fā)表聲明：“讓我們澄清一下：這是一個(gè)為了追逐名利的博客主人所散播的謠言。就是這么簡單?！?/p>

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室D0探測器實(shí)驗(yàn)發(fā)言人斯蒂凡-索爾德內(nèi)爾-萊姆博德表示，“目前還沒有關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子信號的任何證據(jù)。我們還需要更多的數(shù)據(jù)。來自該博客的謠言并不正確，而且博客并不可當(dāng)作是可靠的信息來源?！?/p>

上帝粒子-萍蹤難覓

歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)

然而希格斯粒子的真面目卻始終無緣識荊，有過幾次，人們似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的蹤影，然后它卻似乎是故意在人們面前閃現(xiàn)一下影子，然后就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

2000年，位于瑞士的歐洲核子研究中心(CERN)的工作人員通過世界上最大的正負(fù)電子對撞機(jī)LEP攫取了115GeV的希格斯粒子，但是他們當(dāng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足以做出任何確定的推論。

另一次在2003年，物理學(xué)家試圖通過位于美國芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)，讓質(zhì)子與反質(zhì)子相互對撞分析出希格斯粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，試圖證實(shí)或否定CERN先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是由于先前計(jì)劃從舊實(shí)驗(yàn)中回收反質(zhì)子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)同樣也到了更換的階段，需要很長的時(shí)間來修復(fù)，因此費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究遇到了一定的挫折。

然而人們似乎已經(jīng)下定決心一定要找到這個(gè)神秘的粒子。2008年8月，靠近瑞士和法國邊境的歐洲核子研究中心將開始運(yùn)行新的大型質(zhì)子對撞機(jī)(LHC)。這架大型質(zhì)子對撞機(jī)安放在位于地下175米深處，周長約為27公里的隧道中，計(jì)劃造價(jià)約為80億美元。計(jì)劃實(shí)施時(shí)，將有來自34個(gè)國家150個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室近2000名科學(xué)家參加。樂觀的估計(jì)，將在2010年前后提供一個(gè)確切的答案。

于2003年開始興建的歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)位于法國和瑞士邊境地區(qū)地下100米深、約27公里長的環(huán)形隧道中,耗資總計(jì)約20億美元,預(yù)計(jì)將于2008年6月正式開始運(yùn)行。屆時(shí)，它將憑借能使單束粒子流能量達(dá)到7萬億電子伏特而成為世界上能級最高的對撞機(jī)?？茖W(xué)家普遍期望在這一對撞機(jī)的幫助下，能夠發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。

不過希格斯認(rèn)為,迄今已運(yùn)行多年的美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏特加速器可能已經(jīng)獲得了希格斯玻色子存在的數(shù)據(jù)。希格斯說，希望能在迎來自己80歲生日前證實(shí)希格斯玻色子的存在。他幽默地說:“如果屆時(shí)還是沒有發(fā)現(xiàn),那我只能祝愿自己活得再長久一些了?！钡麖?qiáng)調(diào)，如果總是不能證實(shí)希格斯玻色子的存在，那么他將“非常、非常困惑”，因?yàn)樗盁o法想象除此之外還能怎樣解釋物質(zhì)是如何獲得質(zhì)量的”。

物理學(xué)家們懷著宗教般的虔誠，一直致力于理解物質(zhì)的真正本質(zhì)，完成對所有物理現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，從而獲得整個(gè)世界的終極知識。這個(gè)夢想就好像是圣經(jīng)中所描述的建造巴別塔的過程。

相關(guān)著作

1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼在其與和泰雷西合著的《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題?》的結(jié)尾充分流露出了物理學(xué)家們對終極前景的渴望，他這樣寫道：

大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)

“天空中出現(xiàn)了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我們這位沙灘主人。在巴赫B小調(diào)彌撒曲莊嚴(yán)、高潮的和弦配樂下，也可能是在斯特拉文斯基的短笛獨(dú)奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地變成了上帝的臉，微笑著，但帶著極度甜蜜的悲傷表情?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)模型是這樣一個(gè)被物理學(xué)家們寄予很高期望的，通往終極的理論，然而標(biāo)準(zhǔn)模型自身有兩個(gè)很重要的缺陷：模型中包含了過多的參數(shù)，并且理論未能描述重力。而且正如本文一開始指出的，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的希格斯粒子卻始終未能在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。萊德曼對希格斯粒子憂心忡忡，認(rèn)為它是一個(gè)阻止我們獲得終極知識的“大壞蛋”。

《一千零一夜》里有這樣一個(gè)著名的故事：一只大鳥奪走了王子的戒指，王子去追逐這只大鳥，這只大鳥飛過一段距離后，就故意停下來等王子追近，每次王子感到馬上就要趕上大鳥的時(shí)候，大鳥卻一下子又振翅飛走了。好像終極知識就是可惡那只大鳥，每當(dāng)我們覺得已經(jīng)就要得到之時(shí)，他就一下子又走遠(yuǎn)了。一旦希格斯粒子被證實(shí)不存在，那么整個(gè)物理學(xué)就將經(jīng)歷一場新的困惑和震動(dòng)，我們不得不再次目睹終極理想離我們遠(yuǎn)去。

米蘭·昆德拉說過一句古老的猶太諺語：“人類一思考，上帝就發(fā)笑”，能否獲得終極也許不是最重要的。人類是思考的動(dòng)物，探索的歷程以及這一歷程中的新發(fā)現(xiàn)才是我們?nèi)祟惿娴囊饬x所在。

上帝粒子-軼事

霍金賭找不到上帝粒子

2008年，霍金接受英國廣播公司(BBC)記者采訪時(shí)表示，歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)不會(huì)幫助人類找到有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子，他愿意拿出100美元打賭。他認(rèn)為，對撞機(jī)把能量增加到通常粒子研究所需能量的4倍。根據(jù)現(xiàn)有觀點(diǎn)，這應(yīng)當(dāng)足以找到希格斯玻色子。當(dāng)然如果找不到希格斯玻色子，會(huì)更加激動(dòng)人心。那表明，存在某些錯(cuò)誤，人們需要重新思考。質(zhì)疑希格斯玻色子存在的同時(shí)，霍金說，對撞實(shí)驗(yàn)可能印證科學(xué)家先前提出的“超對稱理論”和“弦理論”，而且“不管大型強(qiáng)子對撞機(jī)是否有所發(fā)現(xiàn)，結(jié)果都會(huì)告訴我們關(guān)于宇宙構(gòu)造的許多知識”。