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部

　　２０１３年諾貝爾物理學獎授予比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學家彼得·希格斯，以表彰他們提出希格斯機制并成功預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？發現希格斯玻色子對人類認識宇宙有什么重大意義？中國科學家對發現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獎的歸屬。他說，被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子對標準模型理論來說是關鍵粒子，經全世界物理學家近半個世紀的努力才發現了它。

　　什么是標準模型？它是物理學用來解釋自然界最深層物質結構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，標準模型中解釋基本粒子質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準模型里唯一未被實驗發現的粒子。

　　“也正因如此，尋找希格斯粒子以解釋宇宙間物質的質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，而2012年在LHC的ATLAS和CMS實驗中發現希格斯粒子，也被認為是物理學在標準模型建立后的近幾十年來最重要的發現。”ATLAS國際合作組中國組負責人、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項目發現了同一種新粒子，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，更多數據分析表明“它就是希格斯玻色子”。

　　據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。可以說希格斯粒子是我們宇宙萬物形成的基礎，是質量產生之源。”

　　當公眾沉浸在發現希格斯粒子的興奮中時，冷靜的科學家提醒道，它是重大進展，卻并非終點。

　　在當下的討論中，希格斯粒子常和宇宙學研究聯系在一起。對此，陳和生認為，討論希格斯粒子的發現對宇宙學研究的具體影響還為時尚早。“現在發現的是希格斯粒子，但它到底是標準模型粒子，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。”

　　張新民說，目前還不能解釋希格斯粒子為什么比質子重125倍。理論計算表明，對于這樣重的希格斯粒子，宇宙是不穩定的，將在數十億年以后毀滅。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：“更重要的是，除可見物質外，宇宙中其他的95%是暗物質和暗能量，超出粒子物理標準模型。所以，發現了希格斯粒子，是粒子物理學的一個重大進展，但不是終結。”

　　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以及在LHC實驗中尋找超出標準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，我們會發現在尋覓其蹤影的征程上，也有中國科學家的身影。“從探測器建造到數據分析，中國科學家做出了重要貢獻。”陳和生說。

　　發現希格斯粒子的ATLAS和CMS實驗是目前世界上規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,一批中國科學家參加了這兩個大型實驗。

　　據金山介紹，ATLAS中國組在發現希格斯粒子的3個主要衰變道的物理分析中做出了直接貢獻，CMS中國組則承擔了繆子探測器的建造任務。

　　“我們承擔一部分探測器的建造任務，得到了很高的國際評價。此外，中國專家在數據分析過程中提出來的一些分析方案，對分析結果起了很大作用。”對于分析的難度，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。”

　　金山認為，中國科學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左右的環形正負電子對撞機“希格斯粒子工廠”，并在將來能夠升級到能量是50TeV左右的超級質子對撞機，就能使我國在研究希格斯粒子性質和尋找超出標準模型的新物理領域占有全面國際領先地位。