尋找上帝粒子

根據物理學的標準模型，夸克、電子等的質量來自一種神秘的基本粒子——希格斯子。眾里尋他千百度，幾十年來物理學家一直在加速器中尋覓希格斯子的蹤跡，卻總是無功而返，標準模型中描述的61種粒子，唯獨被稱為「上帝粒子」的希格斯子沒被發現，令一些人對希格斯子是否存在產生了懷疑，並質疑標準模型的正確性。2012年7月，歐洲核子研究中心傳來消息，他們在大型強子對撞機中發現了和希格斯子特徵十分吻合的粒子。上帝粒子終於現身了嗎？

假如有一天你去動物園，觀賞完千姿百態的動物之後，有些問題或許會縈繞於腦際：為什麼大自然會創造出如許多的動物？為什麼它們在外貌、習性上差異會那麼大？

你瞧，大象可謂是龐然大物，可是松鼠卻小到可以被人托在掌上；海龜能活上百歲，而老鼠呢，壽命只有幾年……不過話又說回來，更可能的是，你壓根兒不會去想這些問題，當有人這樣問時，甚至還會反駁說：「事情本來就如此嘛，提這種問題有意義嗎？猴子之所以是猴子，那是因為它是猴子，要是它長成了老虎，我們還會叫它猴子嗎？」

然而，學過生物學我們就知道了，上述問題不僅有意義，而且已經有了標準答案：動物們之所以形態習性各異，那是因為它們擁有一套不同的遺傳密碼，這套密碼決定了它們該長什麼樣，該有怎樣的習性。至於為什麼它們擁有的遺傳密碼不一樣，那又是進化的結果：數十億年前它們也一度有過共同的祖先，後來經過漫長的進化，才變成了不同的物種。

好亂

的「粒子動物園」

粒子物理學家也經常把他們與之打交道的基本粒子們比喻成動物園。所謂基本粒子，就是指在目前階段被物理學家們認為不能再分的粒子。比如說，質子是由3個夸克構成的，夸克目前被認為是不可分的，所以夸克是基本粒子, 電子也被認為是不可分的，所以電子也是基本粒子;但質子就不是了。對於基本粒子，我們認為它們是沒有內部結構的，所以體積為零。

在物理學上，是用質量（除非特殊說明，一般指靜止質量）、電荷、壽命、自旋等幾個量來表徵一種粒子的。基本粒子在某些方面有著霄壤之別。就拿質量來說，頂夸克是迄今發現的質量最大的基本粒子，是電子質量的35萬倍，而光子的靜止質量壓根兒為零，——沒什麼負擔的光子自然能夠飛速奔跑。

上世紀五六十年代是粒子物理學發展的黃金時代。隨著許多大型加速器的建造和投入使用，這座「基本粒子動物園」里隔一陣子就有新粒子添加進來，最後數量變得頗為壯觀。

這麼多粒子眼花繚亂地擺在一起，夠讓人心煩的。粒子物理學家們起初也並沒有想到去問「為何它們有如此這般的質量？」。質量一貫以來被認為是物質的基本屬性，這樣的問題被認為是沒有意義的。他們只是想把這些粒子歸歸檔，便於釐清它們之間的關係。

可是，令他們自己也想不到的是，在歸檔的過程中，竟然把質量的起源問題也做出了解答……不過這是一段很長的故事。

愛因

斯坦最後的夢想

故事還得從20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦說起。我們知道，愛因斯坦一生的主要成就都是在40歲之前取得的：26歲，發表狹義相對論和光量子理論；36歲，發表廣義相對論。此後，基本上沒取得特別大的成就。

那麼，晚年愛因斯坦都做了些什麼？難道叼著那個大煙斗遊山玩水去了不成？不，其實他一直沒閑著，只是脫離當時物理學的主流，去做一件大家認為「難於上青天」的事情：把4種基本作用力統一起來。

自然界中的4種基本作用力分別是：萬有引力，即讓星系聚集成團、讓地球繞著太陽轉、讓我們得以站在地球上的力；電磁力，即把電子束縛在原子核周遭以形成原子，以及主宰物質化學性質和化學反應的力；強核力，即讓質子、中子抱成團形成原子核的力；弱核力，即讓原子核衰變的力，沒有它，太陽上的核反應就不會點燃。前兩種力是長程力，它們的作用範圍理論上可以達到無限遠，而後兩種力都是短程力，一旦跨出原子核，就急劇下降，變得微乎其微了。

這麼一個紛繁複雜的大千世界，靠4種基本作用力就能「管理起來」，在我們看來已經夠簡單了吧，可是在愛因斯坦看來，4種還是太多了，這4種力應該可以統一成一種，因為這位倔強的老頭有個堅定的信念：自然是簡單的。也許宇宙本質上只有1種基本作用力。

當愛因斯坦投身於這一宏偉計劃的時候，應者寥寥。相反，許多人為他在八字沒一撇的事情上虛耗精力感到痛心。而且正如人們所料，他沒等實現自己的夙願就離開了人世。

質量

：繞不開的問題

沒想到20世紀下半葉，愛因斯坦的「大統一」思想在新一代物理學家中找到了眾多追隨者，並逐漸演變成了物理學的主流。這些物理學家有一個愛因斯坦所沒有的優勢：他們衷心接受量子力學，並從量子理論的基礎之上來研究大統一；而眾所周知，愛因斯坦晚年對量子力學是採取拒絕、排斥態度的。

早在1950年代，狄拉克、費曼等人已經把量子力學推廣到電磁場的研究中。他們提出一個重要的思想：場是通過一些相互作用粒子來傳遞的。就拿兩個電荷之間的靜電場來說，經典物理學認為在兩個電荷之間存在著連續的電場，電荷通過這個靜電場發生相互作用。可是按新的看法，兩個電荷的相互作用是通過不停地交換電磁場的傳遞粒子——光子來實現的，就好比兩個人面對面站著，通過不停地傳遞球來實現互動一樣。每一種場都有各自的傳遞粒子。

到了1963年，美國物理學家格拉肖率先提出，電磁力和弱核力儘管表面上非常不同，但在更深層次上有很大的相似性：它們的傳遞粒子都有著同樣的自旋性質；電磁力中有電荷、磁荷、電流等概念，而在弱核力中，也有對應的弱「荷」、弱「流」等；所以，或許可以把這兩種作用力統一成一種。格拉肖初步搭起了電磁力和弱核力統一的橋樑。

但是，要實現這一目標，有一個看似不可克服的障礙：電磁力是一種長程力，其傳遞粒子——光子的靜止質量為零，而弱核力是一種短程力，雖然其傳遞粒子當時還未被發現，但根據其力程不難推算，它一定有很大的質量。

傳遞粒子一個靜止質量為零，一個有很大的質量，差距很大，兩種力如何統一？此外，在當時的理論模型中，出於對稱性的要求，不允許夸克和輕子（像電子、

這樣一些不參與強核力作用的粒子）擁有質量，這顯然也跟觀測事實不符。

這些難題都涉及同一個非常嚴肅的問題：為何不同的粒子會有不同的質量？粒子的質量是怎麼來的？

於是，質量的起源原本被認為是用不著去深究的，現在卻成了一個不得不回答的問題。

上帝

粒子登場

1964年左右，以英國物理學家希格斯為代表的三個研究小組分別獨立地提出粒子獲得質量的一種機制，我們現在稱其為希格斯機制。

這個機制這樣解釋質量的起源：在宇宙中瀰漫著一種場，叫希格斯場。最初，宇宙在非常高的溫度下，所有的基本粒子都是沒有質量的。隨著溫度降低，它們開始與希格斯場發生作用，從中吸收能量，從而擁有了質量。因為作用程度不同，所以不同粒子的質量也不同。像頂夸克這類粒子，跟希格斯場作用的強度大，所以變成了沉甸甸的粒子，而像光子，不與希格斯場發生作用，所以靜止質量始終為零。

如果把希格斯場比喻成一個游泳池，基本粒子比喻成游泳者，那麼我們可以說，起初這些游泳者都是瘦子，體重都一樣，只是泳技有三六九等之分。有的泳技精湛，游完也沒嗆一口水，所以體重保持不變；而有的泳技特別糟糕，游的過程中不知咽下了多少水，等上來（或者不如說撈上來）時，已經從一個瘦子脹成了一個大胖子了。其他的人呢，介乎兩者之間，不同程度地喝了一些水，所以體重都有不同程度的增加。1967年，物理學家薩拉姆和溫伯格把希格斯機制應用到弱核力研究中，提出弱核力的傳遞粒子起初像光子一樣是沒質量的，後來才通過希格斯機制獲得質量。這就解釋了前面所說的電磁力和弱核力傳遞粒子質量不一致的問題。然後格拉肖又把他們的理論做了進一步的推廣，認為所有基本粒子都是通過希格斯機制獲得質量的。這樣，電磁力和弱核力完成了統一。

希格斯場既然是一種場，那麼也應該有其相應的傳遞粒子，這就是希格斯子。

唯一

的「逃犯」

在統一了電磁力和弱核力後，又經過數代物理學家的努力，一個可以解釋強核力、弱核力和電磁力的理論體系終於搭建起來了。這是粒子物理學迄今最完美的理論體系，一般稱之為「標準模型」。

標準

模型對粒子都有哪些說法呢？

第一，標準模型包含的基本粒子有61種。第一類是組成物質的粒子，包括夸克、輕子以及它們的反粒子。其中夸克18種，輕子6種(包括電子、μ子、τ子三種帶一個單位負電荷的粒子，以及它們分別對應的電子中微子、μ子中微子、τ子中微子三種)，加上它們的反粒子共48種；第二類是傳遞相互作用的粒子，共12種；第三類是讓基本粒子獲得質量的粒子，也就是希格斯子。

根據質量的不同，物質粒子共分為三代，每一代都由2種夸克和2種輕子組成，一代比一代重。組成普通物質的基本粒子只有第一代夸克（即上夸克、下夸克）和電子。第二、第三代構成的物質壽命都極短，只有在宇宙線或者高能加速器中才能找到它們的蹤影。其他已知的粒子，要麼可歸入輕子家族，要麼是由幾個不同的夸克組成的。

第二，自然界有4種基本相互作用：引力、電磁力、弱核力和強核力。引力是通過設想中的引力子傳遞的（但因為標準模型還沒有把引力統一進來，所以引力子還沒有被計入標準模型的粒子數量之中）；電磁力是通過光子傳遞的；弱核力是通過W+、W-和Z粒子傳遞的；強核力是通過8種膠子傳遞的。

在往後的歲月中，標準模型所預言的許多粒子都相繼被找到，比如底夸克是1977年由美國費米實驗室發現的；傳遞弱核力的3種粒子是在1983年找到的；頂夸克是1995年被發現的……

最後，標準模型預言的粒子中只剩了一種沒有「緝拿歸案」，它就是神秘的希格斯子。

有史

以來最大、最複雜的機器

從前文中我們已經看到，希格斯子是標準模型的基礎。如果希格斯場或者希格斯子不存在，那麼標準模型就面臨改寫甚至推翻的危險。所以，尋找希格斯子就成了當務之急。

希格斯子一直沒有露面，物理學家於是猜測，希格斯子的質量一定很大，超過了當時所有高能加速器的探測範圍。所以要找到它，需要建一台能量超過以往任何一台加速器的對撞機——這就是後來建造的歐洲大型強子對撞機。

歐洲大型強子對撞機是人類有史以來建造的最大、最複雜的機器，周長為27千米，跨越瑞士和法國兩國的邊界。它能把質子加速到光速的99.9999991%，讓其運動質量達到靜止質量的7000倍。這個過程能模擬宇宙大爆炸後不足十億分之一秒的環境。

然而據科學家的估計，大約每10

次的質子對撞，才有1次機會產生一個希格斯子。更麻煩的是，這種粒子一旦產生，存在時間大約只有十億分之一秒，然後就衰變成其他粒子了。所以即使有了這麼強大的設備，要找到它也仍然不那麼容易。

上帝

粒子現身，霍金認輸

其實，早在大型強子對撞機還沒建成之前，已經有跡象表明希格斯子確實存在。在過去的強子對撞機投入運行的三年里，也多次捕捉到了它的蹤跡，但皆因誤差太大而不敢肯定。儘管如此，希格斯本人對於這個以他的名字命名的粒子的存在是充滿信心的，但大名鼎鼎的英國物理學家霍金由於不支持標準模型，卻打賭希格斯子不存在。

經過多年的實驗和數據積累，2012年7月3日，歐洲核子中心兩個獨立的研究小組終於宣布找到了一種新粒子，其能量在125～126GeV（質子的靜止質量大約為1GeV），結果的可信度大約在99.99994%。雖然發現者只是謹慎地說發現了「疑似希格斯子的粒子」，但從各方面來看，基本可以肯定,新發現的粒子就是理論預言的希格斯子。標準模型再次被證明是經得起考驗的。

霍金再次賭輸了。許多人或許會對霍金竟然會在這樣「大是大非」的問題上搞錯感到不解。這其實是標準模型自身的缺陷造成的。因為標準模型哪怕再完善，至今也無法把引力統一進來，而這些年，有個後起之秀——超弦理論卻有望實現這一點。但在該理論中，並沒有希格斯機制。霍金對超弦理論情有獨鍾，所以對發現希格斯子不報什麼希望。

如今，很可能是希格斯子的新粒子終於找到了，舉世同歡。那麼，大型強子對撞機的使命就此結束，可以歇工了嗎？實驗物理學家們下一步還有什麼事情可做嗎？且聽下一篇文章分解。

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