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    核心提示：三年前著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金出100美元打賭人類找不到基本粒子質(zhì)量之源“上帝粒子”，而13日從歐洲核子研究中心發(fā)布的結(jié)果來看，人類已經(jīng)用世界上最強(qiáng)的超顯微鏡發(fā)現(xiàn)了疑似它存在的痕跡。

    大名鼎鼎的理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金要輸了！

    3年前，他押下100美元的賭注，打賭人類永遠(yuǎn)也不可能發(fā)現(xiàn)希格斯粒子——這種有著“上帝粒子”之稱的神秘粒子，被認(rèn)為是宇宙中所有基本粒子的質(zhì)量之源。

    2011年12月13日，歐洲核子研究中心召開研討會(huì)宣布，目前世界上“最強(qiáng)大的超級(jí)顯微鏡”——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)尋找希格斯粒子時(shí)出現(xiàn)“重要進(jìn)展”。ATLAS和CMS這兩個(gè)獨(dú)立的研究組均在相似的能區(qū)附近觀察到很可能是這一粒子衰變之后留下的痕跡。

    “這預(yù)示著一種發(fā)現(xiàn)的可能性。”ATLAS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中國組負(fù)責(zé)人金山對(duì)中國青年報(bào)記者說。CMS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中國組物理分析負(fù)責(zé)人陳國明持有相同的觀點(diǎn)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)這亦可能只是一次“統(tǒng)計(jì)漲落”。在尋找希格斯粒子的道路上，這兩位來自中國科學(xué)院高能物理研究所的研究員已經(jīng)花了超過10年的時(shí)間。

    盡管科學(xué)家措辭謹(jǐn)慎，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然令人激動(dòng)不已。法新社評(píng)論說，這一發(fā)現(xiàn)的重要意義絲毫不亞于愛因斯坦首次系統(tǒng)地闡釋量子物理學(xué)。如果最終證明希格斯粒子只是一種幻想，科學(xué)家將不得不回到原點(diǎn)重寫粒子物理學(xué)課本。

    “某種程度上，它的重要性堪比創(chuàng)造了一切的上帝。”陳國明解釋說，“在宇宙大爆炸之初，希格斯粒子賦予基本粒子質(zhì)量，使得物質(zhì)得以形成、凝聚、演化，最終形成了星系，也形成了我們。”

    打賭上帝粒子不存在，這就像批評(píng)了已經(jīng)去世的戴安娜王妃

    在宇宙大爆炸發(fā)生137億年之后，為了捕獲希格斯粒子，人類齊集了最尖端的科學(xué)技術(shù)，嘗試還原當(dāng)時(shí)爆炸的一瞬間。

    在橫跨法國和瑞士邊境的大地之下，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)占據(jù)著一條長27公里的圓形隧道。這個(gè)空曠的地下世界相當(dāng)于4個(gè)梵蒂岡，如果你要走完全程，要花上整整4個(gè)小時(shí)。

    自2010年3月正式啟動(dòng)以來，這條隧道每秒鐘都迎來千萬次爆炸。在一條環(huán)形加速管道中，方向相反，各具有3.5 TeV（兆兆電子伏特）能量的質(zhì)子團(tuán)在4個(gè)對(duì)撞點(diǎn)不斷碰撞。

    陳國明介紹說，幾百電子伏特的X光就足以把人類“穿透”，兆兆級(jí)別的能量會(huì)使質(zhì)子在對(duì)撞時(shí)完全被打碎，無數(shù)粒子瞬間噴發(fā)，仿佛一次“宇宙小爆炸”。

    每一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)上都架起了上萬噸重的粒子探測(cè)器，它們猶如平躺著的碩大無比的啤酒桶，將對(duì)撞點(diǎn)嚴(yán)實(shí)地包裹起來，并承載不同的實(shí)驗(yàn)功能。其中，名為CMS和ATLAS的兩個(gè)探測(cè)器的主要使命就是探索可能出現(xiàn)的希格斯粒子的信號(hào)。

    爆炸的瞬間，各種參數(shù)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)格系統(tǒng)先傳到位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的零級(jí)計(jì)算機(jī)，隨即送達(dá)分布在5個(gè)地區(qū)的一級(jí)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)和上百個(gè)二級(jí)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)，最終抵達(dá)三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)羅了全世界幾十萬臺(tái)計(jì)算機(jī)。

    在電腦屏幕前守候的，是來自全球80多個(gè)國家的科學(xué)家，其中，參與CMS和ATLAS研究組的學(xué)者就各有3000多名。

    如此龐大的陣容，只是為了尋找一個(gè)小得幾乎不占任何空間的粒子。這一切，還得先從40多年前一個(gè)名為斯蒂芬·溫伯格的物理學(xué)家所提出的“標(biāo)準(zhǔn)模型”說起。

    1967年，溫伯格發(fā)表論文，指出一切物體都是由輕子和夸克這兩大類基本而不可再分的粒子構(gòu)成的，并嘗試將自然界中除引力以外的三種相互作用力——電磁相互作用力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力統(tǒng)一起來。

    用英國曼徹斯特大學(xué)理論物理學(xué)家杰夫·佛爾莎的話說，標(biāo)準(zhǔn)模型就像它的名字一樣雄心勃勃，意味著“我們?nèi)庋劭梢姷囊磺校瑹o論多么復(fù)雜而多元，都是由一小撮基本的粒子，根據(jù)同樣簡單的規(guī)律相互作用而構(gòu)建起來的”。

    “一開始，根本沒人相信這個(gè)。”中國科學(xué)院理論物理研究所研究員李淼對(duì)中國青年報(bào)記者說，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)模型的論文發(fā)表后，3年內(nèi)皆無任何引用，直到上世紀(jì)70年代初期，其預(yù)言的“中性流”首次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，模型才為學(xué)界重視。

    隨后的20多年里，這個(gè)模型經(jīng)受了各種挑戰(zhàn)，終于在1979年斬獲諾貝爾獎(jiǎng)。直到今天，它所預(yù)言的61種基本粒子已有60種被成功發(fā)現(xiàn)，剩下的一個(gè)，便是希格斯粒子。但這個(gè)漏網(wǎng)之魚，恰恰是“標(biāo)準(zhǔn)模型”這幢摩天大樓的根基所在。

    “這個(gè)模型是用規(guī)范對(duì)稱性建立的，根據(jù)這個(gè)對(duì)稱性，有些基本粒子本身不能有質(zhì)量，否則整個(gè)模型就不能統(tǒng)一。”中國科學(xué)院理論物理研究所所長王貽芳對(duì)中國青年報(bào)記者說，為了解決基本粒子質(zhì)量從哪兒來的問題，標(biāo)準(zhǔn)模型引入由蘇格蘭物理學(xué)家彼特·希格斯所提出的“希格斯機(jī)制”——在宇宙誕生之初，希格斯粒子所產(chǎn)生的場(chǎng)與基本粒子互相作用，從而賦予它們質(zhì)量。

    在佛爾莎看來，希格斯粒子“拯救了世界”，讓人類得以理解“為什么宇宙既是由有質(zhì)量的粒子組成的，同時(shí)又美妙地保持著對(duì)稱”。與佛爾莎一樣，許多物理學(xué)家相信希格斯粒子是浩瀚宇宙中質(zhì)量起源時(shí)不可缺失的一環(huán)。

    2008年3月，霍金賭注剛下，物理學(xué)界就炸開了鍋，反應(yīng)最為激烈的莫過于希格斯本人。他悲痛地回應(yīng)，霍金的挑戰(zhàn)“就像是在批評(píng)已經(jīng)去世的戴安娜王妃”。

    找了20多年還沒有發(fā)現(xiàn)上帝粒子，真是讓人鬧心

    但即便派上了全世界最頂尖的技術(shù)和最優(yōu)秀的物理學(xué)家，要逮捕支撐宇宙根基的一個(gè)粒子，依然比大海撈針還難。

    “希格斯粒子產(chǎn)生的幾率非常低，可以說是每1012次的質(zhì)子對(duì)撞，才可能產(chǎn)生一次。”陳國明說。更加困難的是，這種粒子一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，在10億分之一秒之后，它會(huì)通過不同渠道，衰變成光子和輕子等其他粒子。

    今年以來，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)每一秒鐘發(fā)生著大約4000萬次的質(zhì)子對(duì)撞。初步排除一些“沒有意義的事件”之后，這些極其龐大的數(shù)據(jù)便逐步分流到在全球不同角落工作的物理學(xué)家手里。根據(jù)所處研究小組的不同，物理學(xué)家們各自監(jiān)控著希格斯粒子的衰變渠道。

    “我們整天對(duì)著計(jì)算機(jī)，絞盡腦汁地分析，”金山介紹說，“每一次從提取原始數(shù)據(jù)，到最后得出分析結(jié)果，都要經(jīng)過半年時(shí)間。”

    一度，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓人沮喪。在運(yùn)行了20個(gè)月之后，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)不同衰變渠道上的能量幾乎沒有任何“超出”。按照預(yù)期，希格斯粒子一旦現(xiàn)身，科學(xué)家們緊緊盯著的函數(shù)曲線上將呈現(xiàn)“小鼓包”。

    今年10月，赴歐洲核子研究中心參加定期會(huì)議的金山感受到“一片消極氣氛”。“畢竟這個(gè)項(xiàng)目許多國家都投入了錢。”金山說。光在籌建階段，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就使用了來自40個(gè)國家的60億歐元，其中在CMS和ATLAS探測(cè)器的建造上，中國分別投入了1%和0.5%的經(jīng)費(fèi)。此后，對(duì)撞機(jī)每運(yùn)行一個(gè)小時(shí)，都需花費(fèi)大約20萬瑞士法郎，這些費(fèi)用同樣由參與實(shí)驗(yàn)的國家分?jǐn)偂?/P>

    陳國明也承認(rèn)其時(shí)心情糟糕。“找了20多年也沒有找到，真是讓人鬧心！”與金山一樣，陳國明早年曾參加大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的前身——正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)工作，見證了幾代加速器在尋找希格斯粒子的道路上如何“前仆后繼”。

    自1989年起，就在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)如今安身的那條隧道里，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)運(yùn)行了11年，一直沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。2000年，為了騰出空間打造能量更大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)停工。在大洋彼岸，位于美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron加速器更在1985年便開始對(duì)撞，在長達(dá)26年的時(shí)間里始終沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的身影，今年10月，該加速器因預(yù)算問題而關(guān)閉。

    可事實(shí)上，這些加速器不是沒立下功勞，它們至少告訴了我們，在它們能夠達(dá)到的能量范圍內(nèi)，希格斯粒子不在那里。“根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論，一個(gè)粒子質(zhì)量越大，就需要越大的能量才能把它撞擊出來。”金山介紹說，“當(dāng)時(shí)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)已經(jīng)把114GeV（10億電子伏特）以下的能區(qū)完全排除了。”

    當(dāng)今能量最大的加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)則不斷排除著更高的能區(qū)。今年8月，歐洲核子研究中心的科學(xué)家宣布，他們已經(jīng)把從145GeV到480GeV的能區(qū)搜了一遍，“有95%的可能性，希格斯粒子不在那里”。

    也就是說，這個(gè)粒子可以藏身的地方已經(jīng)越來越小。8月過后，參與實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家進(jìn)一步把窗口縮小到115 GeV到130 GeV之間，這讓全球物理界屏住了呼吸。一些媒體開始炒作“希格斯粒子可能并不存在”，《科學(xué)美國人》雜志亦發(fā)表文章，討論霍金是不是“剛剛贏了那場(chǎng)物理史上最狂妄的打賭”。

    用一個(gè)粒子就解釋了質(zhì)量的起源，這聽上去“很劃算”，但大自然很可能不是這樣的

    多年以來，對(duì)希格斯粒子抱懷疑態(tài)度的大有人在。Alexander Unzicker，一個(gè)德國的年輕物理學(xué)家就精心打造了“賭一賭希格斯”的網(wǎng)站，公開宣稱他不相信希格斯粒子的存在。

    乍看起來，這個(gè)從未現(xiàn)身的粒子確像是建構(gòu)在一套高深莫測(cè)的理論之上的一個(gè)虛幻的假設(shè)。即使給專攻粒子物理的學(xué)生上課時(shí)，王貽芳也常常為怎樣將這套理論解釋清楚而頭痛。“這真的需要自己慢慢悟出來，可能到最后，很多學(xué)生也沒搞懂。”

    “這是一個(gè)可以花上好幾個(gè)月來討論的爭議性話題，” Unzicker在其網(wǎng)站上寫道，“在這種情況下，德國哲學(xué)家康德會(huì)建議我們打個(gè)賭，他說，打賭是區(qū)分篤信和隨意觀點(diǎn)的最好方法。”自2009年12月以來，Unzicker像霍金一樣押下100美元的賭注，邀請(qǐng)各方網(wǎng)友與他打賭。

    不過，在陳國明看來，判斷希格斯粒子是否存在還得憑借精確實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。就在外界傳播著各種小道消息時(shí)，科學(xué)家們則在緊鑼密鼓地分析數(shù)據(jù)。

    “CMS和ATLAS這兩個(gè)研究組在競(jìng)爭，研究組下的各個(gè)小組也在競(jìng)爭，大家拿到數(shù)據(jù)之后，都搶著快點(diǎn)‘交作業(yè)’。”陳國明說。

    陳國明介紹說，今年11月下旬，CMS研究組第一次看到“一些超出”，而金山也表示，ATLAS研究組在11月末觀察到“明顯的超出”。不過，在公布實(shí)驗(yàn)結(jié)果之前，這兩個(gè)研究組的工作人員并不能互相交流信息。

    12月13日，歐洲核子研究中心召開公開研討會(huì)。研討會(huì)定于下午2時(shí)舉行，為了占個(gè)好位置，金山特意早早地吃過午飯，11點(diǎn)半前就趕到了會(huì)場(chǎng)。不料可容納數(shù)百人的會(huì)議廳的門前已經(jīng)排起長龍，金山坐到了最后一排，許多來晚了的工作人員干脆坐在了地上。

    賭局即將揭曉，所有人都迫切地想知道，那一個(gè)40多年前即被預(yù)言，自20多年前就開始被探尋的神秘粒子，到底是否存在。

    根據(jù)ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)言人公布的結(jié)果，兩個(gè)研究組分別在126GeV和124GeV附近觀察到“超出事例”。不過兩個(gè)研究組同時(shí)表明，目前的“超出”在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上仍然“沒有足夠顯著”，因而“在現(xiàn)階段還不能下任何判斷”。

    在王貽芳看來，這一消息“非常重大，但不太讓人吃驚”。“大家之前都知道，希格斯粒子如果存在，大概就在這個(gè)區(qū)域了，如果真的是這樣，那‘標(biāo)準(zhǔn)模型’就太成功了，有一些人還希望它并不存在，那樣或許更熱鬧些。”

    就在人們不斷逼近宇宙萬物質(zhì)量起源的謎底之時(shí)，物理學(xué)家那顆不安分的好奇心越發(fā)強(qiáng)烈。在為英國《衛(wèi)報(bào)》撰寫的文章中，佛爾莎坦言，“世界上沒有希格斯粒子”將是令她“最為興奮”的結(jié)果。

    “歸根到底，它還是我們對(duì)世界的一種猜測(cè)，” 佛爾莎解釋說，“你用一個(gè)粒子，就解釋了質(zhì)量的起源，這聽上去‘很劃算’，但大自然很可能不是這樣的。”

    大自然到底選擇了怎樣的發(fā)展路徑？目前還是一個(gè)謎。不過歐洲核子研究中心已經(jīng)保證，這一切將在2012年塵埃落定。“我們預(yù)計(jì)，明年夏天一定有大轟動(dòng)，”金山激動(dòng)地說，“或者是發(fā)現(xiàn)，或者是革命了！”

    在這之前，金山和陳國明的面前依舊擺著大量枯燥的數(shù)據(jù)分析工作。“還是要冷靜，再冷靜。”陳國明說，他已經(jīng)計(jì)劃，趁著歐美同行享受悠長的圣誕假期之際，帶領(lǐng)自己的研究團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)提高“尋找的靈敏度”。事實(shí)上，在質(zhì)子對(duì)撞的瞬間產(chǎn)生的其他粒子也可能選擇了與希格斯粒子相似的衰變方式，從而混淆了數(shù)據(jù)。

    “目前來說，希格斯粒子還只是一個(gè)傳說，我們要做的，就是實(shí)事求是地判斷。”陳國明說。