中國科學報年終特稿之一：揭開上帝粒子的面紗

　　 如果把一個東西切得越來越小，會發生什么？

　　“一尺之棰，日取其半，萬世不竭。”在以莊子為代表的中國古代樸素唯物觀中，物質可以被無窮盡地分割。不過，這種觀點一直未獲實驗證明。那么，物質的最小單元究竟是什么？

　　為探索這一問題，物理學家提出了粒子物理學的標準模型。這個模型對已知基本粒子進行了分類，并預言了若干新粒子。但在探索這一模型的過程中，物理學家遇到另一個嚴峻的問題——標準模型中的粒子在理論上都不具有質量，但現實中它們是具有質量的。那么，質量從何而來？

　　于是，關于希格斯粒子的預言出現了。物理學家認為，希格斯粒子賦予這些基本粒子質量。也正因這個特性，希格斯粒子被大眾賦予了一個“外號”——“上帝粒子”。

　　2013年10月8日，兩位歐洲物理學家——弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因為預測了上帝粒子的存在，被瑞典皇家科學院授予諾貝爾物理學獎。

　　2014年的整整一年里，對上帝粒子的觀測已然位列物理研究“熱門排行榜”之首。以中科院為主要機構的中國科學家也緊跟這一研究前沿。

　　發現“最后”一個粒子

　　早期的物理教科書中，原子被認為是物質世界最微小的存在。隨后，物理學家發現，原子還能分。

　　粒子物理學標準模型預言，“基本粒子”才是最小的粒子。1995年，當美國的費米實驗室宣布其發現了頂夸克粒子時，組成標準模型的61個基本粒子中，有60個已得到實驗驗證。

　　至此，僅一步之遙，預言便能圓滿。而最后的那個粒子，就是來無影去無蹤、一出現便會迅速衰變成其他粒子的希格斯粒子。關于它的預言，能解釋一個困擾科學家許久的問題：粒子的質量到底從何而來？

　　面對困惑，無數種猜想隨之而生。1964年，包括彼得·希格斯在內的3位歐洲物理學家，提出了一個新想法，預言了希格斯粒子的存在。

　　希格斯認為，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成的場中，并受其作用而無法以光速穿過宇宙，從而獲得質量，結合在一起。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，水對腿的阻力會讓人感覺腿很重。”北京大學物理學院教授冒亞軍在接受記者采訪時如是形容這種獲得質量的感覺。

　　2012年7月，歐洲核子中心（CERN）向世界宣布，他們探測到了希格斯粒子衰變成其他粒子的跡象，證實希格斯粒子確實存在。

　　消息一出，物理學界為之震動。一年后，預言“上帝粒子”的3位歐洲物理學家中還在世的兩位，摘得了諾貝爾物理學獎。對希格斯粒子的觀測和研究也由此成為熱點。

　　一切還只是開始

　　預言被證實，讓科學家興奮不已。不過，這依舊沒讓他們滿意。

　　“標準模型不能解釋暗物質。”中科院高能物理所研究員陳國明告訴記者，“宇宙學研究預示著宇宙中存在大量特殊物質，這種物質能產生引力，但不發光，也不反射光，被稱為暗物質，而這是標準模型無法解釋的。”

　　正因如此，探索之路遠沒到終點。“標準模型肯定還有問題。”陳國明說。

　　物理研究，總是充滿想象。在數不盡的各種模型中，與標準模型同處聚光燈之下的，還有另一個模型——超對稱模型。

　　1966年，為補充標準模型的漏洞，日本粒子物理學家宮沢弘成首次提出超對稱理論，其被認為可解釋暗物質的存在。但這個被物理學家公認為“優美”的模型，有個“致命傷”——從未被實驗證實。

　　CERN的大型強子對撞機（LHC）實驗工作組成員約旦·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證明這一理論。這說明要么我們對這一理論的理解是不全面的，要么它的本質和我們所想還存在差異，再或者就是這種超對稱的粒子根本就不存在。”

　　不過，LHC的改造升級，為尋找超越標準模型的新物理現象帶來了新的希望。

　　升級后的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，對撞的粒子束將更密集，使對撞更加猛烈。這些將成為發現新物理現象的“好幫手”。在今后的15～20年里，LHC預期將獲得大約比現在多100倍的數據。

　　陳國明告訴記者，一旦發現新的物理現象，超越標準模型的其他設想就有了被證實的可能，更多的物理現象也將得到解釋。

　　“我們現在對希格斯粒子性質的測量還不夠精確、深入。這次改造完成后，LHC還將進行多次升級，預期未來將會發現更多重要的物理現象。”中科院院士陳和生說。

　　“中國隊”的蛻變

　　25年前，陳國明還是中科院高能物理所的博士生。跟著導師唐孝威的步伐，并在陳和生的指導下，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，高能所培養的博士陳明水不僅成了CERN的一員，還擔任了緊湊μ子線圈（CMS）實驗國際合作組希格斯粒子綜合分析組組長。2012年，CMS內部決定性的、對希格斯粒子發現的評審報告，就是由他作的。那時，他也在30歲出頭的年紀。

　　在陳國明的記憶里，這是蛻變的25年。

　　“1989年，跟國際上的科研人員相比，我們就是學生。剛開始時，數據來了，我卻眼前一抹黑，不知道怎么弄。”那時，陳國明還在美籍華裔諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中領導的正負電子對撞機（LEP）L3實驗組工作。

　　令人欣慰的是，這種“學生時代”到LEP項目后期時結束了。“到LHC階段時，我們和歐美科研人員就可以站在競爭合作的平臺上了。”陳國明說。

　　陳和生告訴記者，從2004年起，中國科學院、國家自然科學基金委、科技部等機構，對尋找希格斯粒子的物理研究準備工作給予了很大支持。“最近，國家自然科學基金委作了安排，支持我們參與探測器的改造升級，包括2017～2018年一期改造升級的準備工作，以及2023年左右二期改造升級的前期預研工作。”陳和生說。

　　“在希格斯粒子的尋找上，我們貢獻的比例已超過我們參與國際合作人數的比例。”陳和生說。

　　他介紹說，目前圍繞著尋找希格斯粒子開展的實驗中，中國主要參與了CMS和超環面儀器（ATLAS）兩個大型實驗。其中，參加CMS的有中科院高能所、北京大學和清華大學；參與ATLAS的除了中科院高能所，還有中國科學技術大學、上海交通大學、南京大學、山東大學等高校。

　　“我們的隊伍還在不斷擴大。”陳和生說。

　　如今，中國的高能粒子研究領域中，還有不少30歲出頭的年輕科學家，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，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，物理學領域的研究熱點，仍在為解決這樣的哲學問題而努力。

　　早在2010年3月30日，瑞士日內瓦歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）首次實現創紀錄的高能量質子對撞，標志著人類對微觀世界探索的新時代到來。LHC上的兩個大規模實驗——ATLAS和CMS，將最重要的物理目標鎖定為尋找希格斯粒子，以及觀測超出標準模型的新物理現象。

　　2012年7月，CERN宣布，ATLAS和CMS兩個實驗發現質量為125～126 GeV的“類似希格斯粒子”。2012年9月，這些研究成果發表。截至2013年年底，這兩篇論文的被引頻次為1905次，為2012～2013年間發表的被引頻次最多的物理學研究論文，成為2013年物理學領域的新興前沿。

　　2014年，這一新興前沿依舊熱門。那些正在觀測希格斯粒子的科學家試圖揭開“上帝”的面紗，將人類對物質世界的認識向前推一步。

　　對包括希格斯粒子觀測在內的微觀世界探索，我國未曾落下。1998年，國家自然科學基金委代表中國，與CERN簽訂合作協議，參與LHC實驗國際合作。中國相關機構對這兩個實驗中的探測器建造、數據分析和物理研究作出了重要貢獻。

　　2015年的春天，LHC升級改造將會完成，這將成為物理學界的又一盛典。誰又能知道，屆時這臺受世界矚目的設備，會碰撞出怎樣不可思議的新現象。無論是驚喜，還是困惑，對希格斯粒子特性的研究一定會將人類的認知向前推進一步。