且惊且喜 :LHC首战告捷

 

  众所周知,当今国际物理学界的头等新闻乃是,欧洲核子研究中心(CERN)宣布:大型强子对撞机(LHC)的探测器发现了疑似的希格斯(玻色)粒子,其质量为125.3(±0.6)GeV,接近预测质量范围的下限值。LHC继另外两台大型高能粒子加速器LEP和Tevatron的长期搜索之后,经过两年多时间、无数次的质子对撞实验,终于产生、并探测到了一种质量适当的新玻色子。LHC可将质子等强子的能量加速到7TeV(1TeV=103GeV=1012eV)或甚至更高,因此与其他加速器相比,它具有生成较重粒子的更大优势。如果这种新玻色子恰是寻觅中的希格斯粒子,那当然即为希格斯机制实现了关键性验证。然而,该粒子除质量之外的其他属性(例如自旋等)尚未测定;实验数据亦未能表述希格斯机制的细节(数据也有待整理分析)。所以说,LHC的新发现令人惊喜;但在七分惊喜之余,还当拭目以待:切盼其首战告捷之后再获更确定的实验成果――以确认希格斯场及其量子、即零自旋希格斯玻色子之客观实在性的是或否。
 
  粒子的产生和湮灭,实际上就是狭义相对论之质能相当-转化原理的直观体现。在高能粒子碰撞过程中,被加速了的碰撞粒子的高能量转化成新产生较重粒子的大质量;比如,弱作用场量子、即传播其相互作用的三个中间玻色子W±,Z0以及一些重夸克(c,b,t),都是在高能碰撞实验中发现的。因此,提高加速器的能量标度,是探索大质量新粒子乃至微观物质层面未知疆域的重要手段。LHC首战告捷,尽管对所发现的新玻色子尚需认真辨认其究竟是不是假设中的希格斯粒子,但确实表明,这台目前世界上能量标度最高的加速器对于粒子物理日后的跃进已开始作出令人瞩目的贡献。并且,笔者借以说明一点:“物质生成”可谓物质科学的一个新概念、现代物质观的基本观点之一;而质能相当-转化原理为其提供了可靠的理论依据。至于LHC,则可谓藉以进一步证明此观点、扩展微观物质层面认知范围的一个有力工具。
 

亦赞亦叹:希格斯机制玄奥莫测

  希格斯机制提出至今已近五十年,该机制是粒子物理标准模型中的一个重要假设。构建此标准模型乃以统一各种相互作用场为宗旨之一,而规范对称原理则为统一场论研究的主要凭藉。五十年前,S.温伯格等人创建弱-电(弱作用场―电磁场)统一理论,所凭藉的就是这个对称原理。不同的相互作用场都具有规范变换不变性(即规范对称性),因此才可能得以统一。然而,这规范对称性禁戒其场量子(又称之为规范粒子)带有(静止)质量;弱作用是短程力,其三个中间玻色子W±,Z0的质量理当不为零,这似乎与规范对称原理相抵牾。为解除此抵牾,P.希格斯等人提出所谓的“质量生成”机制――希格斯机制;该机制乃通过真空对称性自发破缺的途径而呈现。具体言之,这自发破缺导致出现一种名曰戈德斯通粒子的标量场量子;弱-电统一场的四个规范粒子中的三个、即W±,Z0在规范变换后吸收戈氏粒子而获得质量,与此同时,统一场的规范对称性亦发生破缺,以致分解为独立的电磁场和弱作用场;而促使真空对称性自发破缺以至规范对称性破缺、戈氏粒子变为规范粒子之质量的,乃是另一假设的标量场――希格斯场的自作用,其场量子――自旋为零的希格斯粒子则成为半个世纪以来人们孜孜寻觅的特殊玻色子。这“质量生成”的方式不限于弱作用场量子,也被推广用于除电磁场之外的其他作用场量子(均为整数自旋的玻色子)以及作为物质“基底”粒子的夸克和轻子(均为半奇数自旋的费米子)。
 
  看来,希格斯场以及希格斯粒子可以作为一切物质的质量源头;以此而论,好多人称其为“上帝粒子”则未尝不可(这俗称只是譬喻,与神学倒并无关系)。况且,希格斯机制若用数学形式表示,的确相当复杂,而其物理描述犹显得玄奥莫测;以此而论,称其为“上帝粒子”,亦似乎贴切。然而笔者以为,如果将希格斯场认作宇宙之真空背景场的候选形态,便可将所有粒子的质量起源归根于真空背景场的无限物质蕴藏,并藉以披露微观粒子世界的宏大多样和变化多端、解释真空之对称性及其自发破缺、揭示种种微观粒子系统之诸多内秉对称性以及破缺的丰富形式,那末从理论上探讨,就不见得非常玄奥、难于理解的了;以此而论,搜索希格斯粒子、探究希格斯场、进一步解析希格斯机制,对于验证和修缮粒子物理标准模型、了解真空复杂性的微观机理、探索宇宙的起源和演化、推动粒子物理学和现代宇宙学的发展,确实具有深远的科学意义。
 

值得庆幸:对标准模型之深层验证已扬帆起航

  LHC新发现的玻色子也是一产生即衰变,但其衰变方式、衰变产物(及其相对比率)和衰变速率等的实测结果,不甚符合与希格斯机制相关的理论预言。据此“异常衰变信号”,有的科学家猜测:这新玻色子的露面会预示超越粒子物理标准模型的可能性,会展现暗物质、超对称对偶粒子的踪迹,以至于促成新的理论突破。当然,有的科学家还是希望这新玻色子就是藉以可证实希格斯机制乃至标准模型的希格斯粒子。然而,LHC及其探测器对该粒子的继续测试,不论终将证实它为希格斯粒子抑或认定为其他粒子,对于现代物理学的今后进展来说,都是举足轻重的一步。为了今后的进展,首先必须对标准模型作深层验证;而新玻色子的发现,则标志着这深层验证已经扬帆起航、锋芒初露,此乃值得庆幸之事。
 
  实验搜索并测定中间玻色子W±和Z0、重夸克t、强作用场量子――胶子以及实测“夸克禁闭”等等,都是对粒子物理标准模型(诸如对弱电统一、强子的夸克构成、强作用场的特殊性状、三代“基底”粒子等内容)的有效验证。而从实验上探索粒子质量的起源,即检验希格斯机制――鉴于上述――其实关乎对真空之精细结构乃至其复杂性的深入研究,也关系到对规范对称原理以至规范统一性之本质的深刻探讨,因此测定希格斯粒子存在与否,便是对标准模型的一项深层验证。当然,寻找其他大质量新粒子,进一步测定夸克和胶子的属性、并由以确认“夸克禁闭”的起因,追究标准模型所不能解释之现象(例如不同粒子的质量数值悬殊以及中微子的非零质量)的根源等,也是这深层验证的诸多方面。
 
  再者,深层验证往往会导致超越。粒子物理标准模型包括弱-电统一理论和量子色动力学,涉及弱-电作用和强作用的“大统一”,但并未将引力作用囊括其内。之后为克服标准模型的局限性而构建的超弦-超膜理论等,则企及引力作用与弱-电作用、强作用的“超统一”;如此超统一理论推测:对于任何哪种粒子,都相应有一种超对称对偶粒子(希格斯粒子亦然)。此外,天文上观测到宇宙间到处存在暗物质、暗能量;于是,确定其性状和微观构成便成为拓展粒子物理的重要方向。所有这些,不仅使得对原有标准模型从理论上予以延拓和创新,而且在对该模型之深层验证的同时,必然以考察超对称性状、非“可见物质”形态、量子真空机制等课题作为实验探索的重要目标;于此若有新的发现,超越标准模型便势在必行。
 
  LHC(以及往后可能建造的更高能量加速器)正是以搜索和考察希格斯粒子、超对称对偶粒子、暗物质粒子、暗能量形态、真空精细结构为主要任务。加速器能量标度升高,质量渐次增大的新粒子自会层出不穷,这样不仅扩大对微观物质层面的认知范围、验证并超越粒子物理标准模型,而且还期望在加速器里造成高温度、高密度的特异物质区域,以模拟、并探测宇宙极早期的物质形态,达到验证并扩充现代宇宙学关于宇宙之起源和演化模式的目的。并且,质量起源问题与宇宙起源问题有本质上的联系。故而,LHC等高能加速器不只是肩负着推动粒子物理学发展的重大使命,还充当为致力于宇宙学研究的辅翼工具;在其提供的极高能条件下,微观物理与宇观物理得以交融,甚至让量子化了的引力场间接地渐露端倪,致使广义相对论与量子场论可能交会起来。
 
  LHC首战告捷不仅使物理学专业人士欢欣鼓舞,而且这看似跃跃欲试的“上帝粒子”也使众多非专业人士惊叹不已,特别是那些管理或批准、出资建造LHC的人们或许会犹感欣慰,愈加体会到大科学工程之可贵、伟大和意义非凡。近若干年来粒子物理实验探测相对冷落,LHC的正常运行可能改变此冷落态势。笔者相信:诸如LHC那样的一些大工程定会促使本世纪物理学的大发展,甚至或可藉以迎来新物理学的绚烂曙光。
 
 

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