希格斯玻色子被視為自原子結構揭示以來我們對宇宙認識的最大突破。它是理解“為什么存在質量”和“原子如何是可能的”等問題的關鍵。在人類投入了90億美元，付出幾十年的努力建的大型強子對撞機成功運行后，經(jīng)過6000多研究人員的辛勤工作，難以捉摸的希格斯玻色子終于被發(fā)現(xiàn)了。2013年諾貝爾物理學獎授予發(fā)現(xiàn)希格斯子的三位物理學家。
《尋找希格斯粒子》不僅解釋了希格斯玻色子的重要性，而且詳細介紹了大型強子對撞機這一有史以來建造的最大機器。加州理工學院理論物理學家卡羅爾對這一項目的緣起和進展都做了繪聲繪色的描述。這是一個講述有關人類如何在渴望理解宇宙的推動下做出我們這個時代最偉大的科學成就的故事。
作者簡介：
肖恩卡羅爾博士是加州理工學院的理論物理學家，著有《從永恒到此處》——一本探索時間的終極理論的書。他從哈佛大學獲得博士學位后，一直在研究粒子物理、宇宙學和引力。他是著名物理學博客群“宇宙方差”的創(chuàng)始人之一。肖恩卡羅爾與妻子作家詹妮弗維萊泰住在洛杉磯。
目錄：
序幕
1物質為什么很重要
2堪稱神圣
3原子與粒子
4加速器的故事
5史上最大的機器
6智破粒子
7波動的粒子
8穿越破鏡
9實驗室沸騰了
10“希格斯子”不脛而走
11諾貝爾的夢想
12地平線之外
13粒子物理學的未來
附錄1質量與自旋序幕
1物質為什么很重要
2堪稱神圣
3原子與粒子
4加速器的故事
5史上最大的機器
6智破粒子
7波動的粒子
8穿越破鏡
9實驗室沸騰了
10“希格斯子”不脛而走
11諾貝爾的夢想
12地平線之外
13粒子物理學的未來
附錄1質量與自旋
附錄2標準模型粒子
附錄3粒子及其相互作用
進一步閱讀材料
參考文獻
致謝
名詞索引
序幕
喬安妮·休伊特感到有點暈眩。她在對著攝像機鏡頭興高采烈地說話時，臉上總是洋溢著燦爛的笑容。此刻，出席舊金山瑞士領事館聚會的人們正沉浸在一派喧鬧聲中。這個聚會是為慶祝大型強子對撞機（LHC）第一次在地下的機器隧道內成功實現(xiàn)質子循環(huán)而舉辦的。位于日內瓦郊外法國—瑞士邊境的這臺強子對撞機是一臺巨大的粒子加速器，其目標是要揭開宇宙的秘密。香檳四溢，沒人驚奇。喬安妮提高了嗓門強調到：“為了這一天我已經(jīng)等了25年了�！�
這是一個重要時刻。在2008年的這一時刻，粒子物理學家們終于實現(xiàn)了他們長期堅守的夢想——為了邁出下一大步，他們需要建造一臺能夠讓質子以巨大能量相互對撞而粉碎的巨型粒子加速器。那會兒他們曾認為美國會建一個這樣的裝置。但事情并沒有如預期的那樣發(fā)生。1983年，休伊特剛開始讀研究生，當時美國國會首次同意在得克薩斯州建造超導超級對撞機（SSC）。原計劃這臺機器將在2000年以前開始運行，它將是當時世界上建造的最大的對撞機。她，像她那個時代的大多數(shù)充滿朝氣雄心勃勃的物理學家一樣，相信在這臺裝置上的發(fā)現(xiàn)能夠奠定他們的研究生涯的基礎。
但是，SSC被取消了，物理學家們指望改變未來幾十年研究領域面貌的平臺被人拆了。政治、官僚主義和內斗處處擋道�，F(xiàn)在的LHC，在很多方面都與SSC非常相似，經(jīng)過長時間的等待后終于要進行第一次運行了。休伊特和她的同事們早已經(jīng)準備就緒�！霸谶^去的25年里，我所做的事情就是對提出的每一種新的瘋狂的理論進行分析，計算它們在SSC或LHC上的印跡（即我們如何認定新的粒子），”她說。
讓休伊特感到暈眩的還有另一個更為私密的原因。在視頻中，她的一頭紅發(fā)剪得很短，幾乎是平頭。這不是時尚的選擇。在那年的早些時候，她被診斷出罹患惡性乳腺癌，治愈的機會大約只有五分之一。她選擇了一種非常積極的治療方案：痛苦的化療加簡直是無窮無盡的手術。她那標志性的、以前一直垂到腰際的紅色秀發(fā)很快消失了。很多時候，她對困境付之一笑，安之若素，始終保持著高昂的精神狀態(tài)積極思考在LHC上能發(fā)現(xiàn)什么新粒子。
作為朋友和同事，我和喬安妮彼此已相識多年。我自己的專長主要在宇宙學，對宇宙做整體研究，這一領域近年來可謂處于新數(shù)據(jù)和驚人發(fā)現(xiàn)勃發(fā)的黃金年代。粒子物理學，這個已經(jīng)變得與宇宙學密不可分的知識領域，正渴望著新的實驗結果，以便能顛覆現(xiàn)有的理論狀態(tài)，引領我們進入到一種新的設想。這種壓力已經(jīng)持續(xù)了很長時間。聚會上的另一位物理學家，華盛頓大學的戈登?沃茨，被問到長時間期盼著LHC是不是一直很緊張。“那是肯定的。你看我這里的頭發(fā)都灰白了。我妻子說那是因為我們孩子的緣故，但實際上確實是因為LHC�！�
粒子物理學家站在了一個新的時代的邊緣，在這個新時代里，有些理論將被淘汰，而另一些理論則變得值得投錢。聚會中的每一位物理學家都有他們自己鐘愛的模型——希格斯玻色子、超對稱、彩色、額外維、暗物質，以及一大堆奇思怪想的概念和夢幻般的推想。
“我希望LHC發(fā)現(xiàn)的‘不是上面的任何一種’，”休伊特熱情地說道�！拔掖_實認為它會帶來驚喜，因為我認為大自然要比我們聰明，她為我們準備了驚喜，我們得好好花時間來搞清楚這一切，那將是巨大的進步！”
那是在2008年�；氐�2012年，舊金山的那場為慶祝LHC落成的聚會已經(jīng)結束，做出新發(fā)現(xiàn)的新紀元已正式開始。休伊特的頭發(fā)長起來了。治療雖然痛苦，但似乎很管用。她的整個職業(yè)生涯中一直期待著的實驗正在創(chuàng)造歷史。經(jīng)過二十五年的理論打磨，她的想法終于等到了用真實數(shù)據(jù)——一些迄今為止我們從來不曾見過的粒子和相互作用——進行檢驗的時刻，那是大自然一直藏著不肯輕易示人的驚喜。
鏡頭拉回到2012年7月4日——國際高能物理會議開幕的當日。這是一個每兩年一屆的會議，在不同年份由世界上各個不同的城市輪流舉辦，這一年輪到了澳大利亞的墨爾本。包括休伊特在內的好幾百位粒子物理學家正濟濟一堂，在主會場聆聽一場特殊的研討會。建造LHC的所有投資，機器運行期間的所有期待，就要在此時得到回報了。
研討會在日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）的LHC實驗室和墨爾本同時舉行。有兩場報告會，作為大會議程的一部分通常應在墨爾本主會場舉行。但在最后時刻，大會決定，宣布新發(fā)現(xiàn)的那一刻應當與為實現(xiàn)LHC成功的很多貢獻者共同分享。這一決定得到稱贊——CERN的數(shù)百位物理學家在預定于日內瓦時間上午9點開始的會議之前已經(jīng)等候幾個小時，他們露營排隊，在睡袋里熬了一夜，就是為了能占個好座位。
CERN的總干事羅爾夫?霍伊爾（RolfHeuer）介紹了會議議程。在兩個主要實驗中從事LHC數(shù)據(jù)收集和分析的兩個實驗組各做一個報告。第一個報告由美國物理學家喬?印坎德拉（JoeIncandela）代表CMS聯(lián)合實驗組來做，第二個報告由意大利物理學家法比奧拉?詹諾蒂（FabiolaGianotti）代表ATLAS聯(lián)合實驗組給出。兩個實驗有超過3000名物理學家參與，其中大部分人的工作是在散布世界各地的實驗室的電腦上進行的。整個實驗過程通過網(wǎng)絡直播，不僅傳往墨爾本，而且傳向全世界——任何一個關心這一實驗的人都可以實時聽到結果。這種傳播方式正適合進行這次現(xiàn)代大科學的慶�；顒印呖萍紘H合作與大賭注結合產(chǎn)生出令人振奮的回報。
詹諾蒂和印坎德拉在做報告時明顯顯得神情緊張，但結果的展示已說明一切。兩人對使實驗成功的各位工程師和科學家表示衷心的感謝。然后，他們不約而同地將報告重點轉向說明為什么我們應該相信他們目前的結果。他們解釋了各自的機器是如何工作的，數(shù)據(jù)的分析為什么是準確和可靠的。在這一切精心的鋪墊完成之后，他們告訴我們他們已經(jīng)找到了要找的東西。
事實擺在那兒。幾張圖，在未經(jīng)物理學訓練的人看來似乎并沒有太多區(qū)別，但它們都具有一致的特征：出現(xiàn)了比特定能量下所預期的事件數(shù)更多的事件（從一次碰撞中得到的粒子流的集合）。所有在場的物理學家立刻就知道這意味著什么：一個新粒子。LHC瞥見了大自然以前從未顯露過的一部分。印坎德拉和詹諾蒂經(jīng)過細致的統(tǒng)計分析，將真正的發(fā)現(xiàn)從紛繁的統(tǒng)計漲落中挑選出來，兩種實驗情形下的結果毫不含糊地表明：結果是真實的。
掌聲。在日內瓦、墨爾本和世界的其他地方。數(shù)據(jù)是如此精確和清晰，甚至連許多從事實驗多年的行家們都對此感到吃驚。威爾士物理學家林恩?埃文斯（LynEvans），作為負責指導LHC走過崎嶇不平道路直至完成的第一人，在看到兩個實驗如此一致的結果時就承認自己“大吃一驚”。
我自己那天就在歐洲核子研究中心，扮成一名記者待在主大廳隔壁的記者室。記者通常不對他們報道的新聞事件報以掌聲，但此時此刻，濟濟一堂的記者們讓情感壓倒性地爆發(fā)了出來。這不只是CERN或物理學的成功，這是整個人類的成功。
我們認為我們知道我們所發(fā)現(xiàn)的東西：一種稱為“希格斯玻色子”的基本粒子（以最先提出存在這種性質的粒子的蘇格蘭物理學家彼得?希格斯的名字命名）。83歲的希格斯本人正坐在研討會房間里，臉上寫滿了感動：“我從來沒有想過今生我會看到這種情況發(fā)生�！痹缭�1964年就提出過同樣想法的其他幾位資深物理學家也出席了會議。一種理論被命名的約定并不總是公平的，但在此刻，每個人都可以參與到慶�；顒又衼�。
那么什么是希格斯玻色子呢？它是自然界的一種新粒子。它的數(shù)量不是很多，但卻是非常特殊的一種。在現(xiàn)代粒子物理學里，已知的粒子有3種。有構成物質的粒子，像電子和夸克，它們構成原子，原子又構成我們所看到的一切；有傳遞力的粒子，它們傳遞引力、電磁力和核力，并使物質粒子結合在一起；再有就是希格斯子，它單獨構成一類。
希格斯子很重要，不只是因為它是什么，而且是因為它做什么。希格斯子由彌漫于空間的場產(chǎn)生，這種場稱為希格斯場。宇宙中已知的一切東西在穿越空間時就會在希格斯場中運動。希格斯場是永遠存在的，只不過是潛伏在本底中，我們看不見它�？梢赃@么說：如果沒有希格斯子，電子和夸克就沒有質量，變得像光子（傳播光的粒子）。它們本身將以光速運動，這樣就不可能形成原子和分子，更談不上形成我們知道的各種生命形態(tài)。在普通物質的形成機制中，希格斯場不是一種主動的角色，但它在本底中的存在至關重要。如果沒有它，世界將完全是另一副樣子�，F(xiàn)在，我們找到它了。
這里用詞需十分謹慎。我們實際上掌握的是非常類似于希格斯子的粒子的證據(jù)。它有正確的質量，它基本上按我們預期的方式產(chǎn)生和衰變。但要說我們發(fā)現(xiàn)的肯定就是原始模型所預言的希格斯子還為時過早。這里面可能還有更復雜的東西，或者發(fā)現(xiàn)的只是精妙的相關粒子譜中的一個部分。但我們的確已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某種新粒子，它的表現(xiàn)就像我們認定的希格斯玻色子。因此在本書中，我將2012年7月4日當作宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的日子。如果大自然更微妙，那對我們每一個人來說就更好——物理學家就喜歡活在驚喜中。
人們非常希望希格斯子的發(fā)現(xiàn)標志著粒子物理學的新時代的開始。我們知道，物理學的內容要比我們目前所了解的更豐富。對希格斯子的研究提供了一個觀察未知世界的新的窗口�，F(xiàn)在，像詹諾蒂和印坎德拉這樣的實驗物理學家有了新的標本可研究，而像休伊特這樣的理論物理學家則有了新的線索，可以建立起更好的模型。我們對宇宙的理解則邁出了期待已久的一大步。
這是一個關于一群將畢生奉獻給發(fā)現(xiàn)大自然最終本性的人的故事。希格斯本人就是一個完美的體現(xiàn)。這里有用筆和紙工作的理論家，他們喝著濃咖啡，和同事激烈地爭論，由此推動著在頭腦中形成抽象的概念；有工程師，他們想方設法讓機器和電子器件突破現(xiàn)有技術限制；最關鍵的當然是實驗者，他們將機器和理論家的想法結合起來去發(fā)現(xiàn)大自然的一些新的東西�，F(xiàn)代物理學的前沿研究涉及到耗資數(shù)十億美元的項目，需要幾十年才能完成，因此需要研究者具有非凡的奉獻精神，并愿意冒著高風險去尋找獨特的回報。當這一切都得以實現(xiàn)之時，世界就變樣了。
生活真美好。請再來一杯香檳。
|
