资讯处   4.9.2012

402

大型强子对撞机管道
紧凑渺子线圈实验所用的矽晶片追迹系统
朱明中教授
彼得.希格斯
 
《中大通讯》第402期 > 洞明集 > 找到上帝粒子以后

找到上帝粒子以后

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电影《异形》里破膛而出的外星生物,当年曾风靡一时,三十三年后,导演列尼.史葛推出这部经典电影的前传《普罗米修斯》。新片的故事不但回溯从前,还藉着一趟九死一生的太空之旅,诘问人类的起源。

人类对于自己起源的探索,不只是艺术家发挥想像力的素材。在科学界,同样的探索已进行了很久,而且更艰辛,但却没有那么暴力和恐怖。物理学家眼中的物质宇宙,是由场、力、粒子、能量和物质组成。根据粒子物理学的标准模型解释,那是弱核力、强作用力和电磁力共同作用的结果。

这一切解释都很合理,问题是,这幅拼图还少了一块──基本粒子的质量是从何而来?为什么不同粒子有不同质量?半世纪之前,苏格兰物理学家彼得.希格斯(Peter Higgs)提出理论,认为有一种能量场令通过它的粒子获得质量,人称为希格斯场。

上帝粒子现身

中大物理系教授朱明中以水来比喻希格斯场。人走在水中,会有被拉曳和沉重的感觉,就像我们获赋予额外的「质量」。希格斯场充满质量或能赋予质量的粒子。如何证明真有这种场存在?试想盲人站在岸边,向前投石,听到石落入水的声音,就知道前面是水而非陆地。同样地,科学家击破高能量粒子,引起爆炸会令希格斯场破裂,释放出希格斯粒子,人从而可侦测和分析其痕迹。

但希格斯粒子,亦即后来人称的上帝粒子,一直踪迹杳然。人有此推算,上帝却另有打算。这是因为当时的粒子加速器还不够强大,无法令希格斯粒子释放出来。但在2000年代后期,比以往的机器利害得多的大型强子对撞机面世,事情才有所改观。

设在日内瓦欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机,深入地下九十米,圆周二十六点五公里,能够以99.9999991%的光速撞击质子,引发带有希格斯粒子的火球,留下能让人证明其存在的痕迹。今年起多个月来科学界已翘首企足,等待追踪和证明上帝粒子的存在。到了7月,CERN的研究小组宣布找到推测是希格斯粒子,全球为之雀跃,但接下来的工作还有很多。

朱明中教授解释:「CERN的科学家还要测量这种看似是希格斯粒子的各种衰变方式的比率,以确定它是否符合标准模型中的希格斯粒子。事实上,这种粒子的一些衰变方式是前所未见的。因此,我们还要做更多工作,观察这种粒子的所有衰变模式。」朱教授估计到了今年底,他们应有比现在多一倍的统计数字,到时候会更有信心说那就是希格斯粒子。

朱教授还说:「如果真的找到希格斯粒子,CERN还要再寻找另外一些新的物理现象。最迫切的是测试超对称理论,该理论预言有所谓『超对称伙伴』的新粒子存在。如果他们未来几年都找不到这些粒子,那么超对称理论问题可大了,连建基于其上的多种大一统理论都会变得靠不住。如果我们找到这些超对称伙伴,就要测量它们的特性(质量和其他物理特质)。它们可能是人称宇宙中的『暗物质』,了解它们的特质对于天体物理学和宇宙学都十分重要。」

寻找中微子

朱教授是大亚湾中微子振荡实验国际团队香港研究组的首席研究员。这个实验共有二百多位科研人员参与,他们来自中国内地、美国、台湾、俄罗斯及捷克的三十九所院校。大亚湾的实验有助解答一些令科学家困惑已久的有关中微子的问题。

朱教授说:「中微子是在核反应中产生的不带电粒子,是最轻的基本粒子之一。中微子有几种不同类型,但穿越空间与物质时几乎不发生相互作用。和希格斯粒子一样,它们也常常是杳无踪影,难以侦测。根据粒子物理学的标准模型,中微子可能是没有质量的。但现在我们知道,它们其实是有轻微质量,可能是它们与希格斯粒子发生相互作用时获得的。发现希格斯粒子证明了标准模型,我们在大亚湾实验所研究的课题──中微子振荡,则是标准模型范畴以外的事物。所以,中微子打开了一扇希望之窗,让我们研究标准模型没有涉及的领域。」

最近中大与CERN加强合作,与CERN的紧凑渺子线圈实验签署协议,促成中大科学家和学生参与研究项目。紧凑渺子线圈实验是CERN的两大主要实验之一,目的是探测大型强子对撞机的高能量对撞所产生的多种粒子和现象。因此,它也侦测和确定包括希格斯粒子在内的基本粒子的存在。中大学生会继续参与CERN暑期实习计划,从这种难得的研究经验中获益。

《时代》杂志一位作者写道:「在CERN那深藏于地下的隧道中发现的玻色子,是万物的本质。」('The Cathedral of Science', Time, 23 July, 2012, p. 31)这个万物的本质令我们每一个人,包括科学家和一般人,都心生敬畏和心存信念。就像列尼.史葛的电影中普罗米修斯号太空船的生还者一样,人类对于最终答案的追寻永不休止。

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