寻找上帝粒子

伊利诺伊州平原下埋藏着一台巨型机器，旨在将物质分解成最基本的部分。它被称为粒子加速器，依靠 1,000 个巨型超导磁体、700 名科学家和工程师以及每年超过 1,000 万美元的电费，每周 7 天、每天 24 小时保持运转。

这台加速器还有一台孪生加速器，藏在日内瓦郊外的阿尔卑斯山下。这两台巨型加速器上的研究人员都怀揣着一个共同的、看似不可能的目标：寻找一粒难以捉摸的物质。他们寻找的对象小得难以想象，而且非常模糊，以至于物理学界以外的人几乎从未听说过它。然而，赌注很高：无论哪个团队最先找到它，都有可能获得诺贝尔奖。

所有这些研究的核心是被称为希格斯玻色子的基本粒子。诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼将希格斯玻色子称为“上帝粒子”，这种神圣的比喻并非完全没有道理。如果希格斯玻色子真的存在（仍有一些疑问），并且能够被识别，那么科学家将回答一个曾经只有哲学家和疯子才会问的问题：为什么物体有重量？此外，希格斯玻色子的发现可能会动摇整个物理学的基础——它会带来人们从未想象过的粒子和违背所有已知定律的力量。许多研究人员相信“新物理学”即将到来，他们希望希格斯玻色子能成为他们的向导。

乍一看，位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（简称费米实验室）似乎并不是一个宇宙事件即将发生的地方。当你进入这个占地 6,800 英亩、距离芝加哥以西不到一小时车程的庞大校园时，你首先注意到的是空旷：这片区域荒芜得奇怪，除了几座工业建筑和一群游荡的水牛。这里唯一能表明存在能量的地方是一圈方圆 4 英里、高出平原 20 英尺的巨大土环。

那个环是圆形地下隧道的轮廓，即粒子加速器，即 Tevatron。Tevatron 非常大，它不是传统意义上的机器；它是景观的一部分。它的目的是让一束质子和一束反质子以尽可能快的速度向相反方向移动 - 在高功率的 Tevatron 中，快意味着光速的 99.99999%。质子和反质子在只有几英寸宽的管道内循环；隧道的其余部分充满了电线、走道和 15 英里长的管道，用于将液氦输送到超导磁体。

一旦质子和反质子束加速前进，它们就会发生剧烈的正面碰撞。当质子撞上反质子时，它们会在纯能量的冲击下相互湮灭。产生的碎片通常包括新粒子——其中一种可能就是希格斯粒子。

两个探测器，每个都有三层楼那么大，点缀在 Tevatron 巨大的环上。质子-反质子碰撞在探测器内定时发生，探测器包含一个由电线、硅探测器和微芯片组成的网络，总共有 5,000 吨电子设备。这两个探测器的作用很简单：拍摄每次碰撞的快照以及由此产生的粒子喷射。听起来相当简单，直到你意识到 Tevatron 的探测器每秒会发生 250 万次碰撞。而数十亿次碰撞中只有一次有机会产生人们所追求的希格斯粒子。

“这些机器就是显微镜，非常简单，”费米实验室的理论物理学家克里斯·希尔解释道。我们坐在他的办公室里，俯瞰伊利诺伊州连绵起伏的平原与从芝加哥向西延伸的新建住宅区交汇的地方。希尔简朴的办公室里堆满了电脑打印件、旧数学教科书和粉笔——讽刺的是，考虑到他和他的同事们决心揭开宇宙中隐藏的秩序，办公室里乱糟糟的。
在过去一百年左右的时间里，物理学家在整理宇宙方面取得了长足进步。首先，他们确定原子是我们周围一切的构成要素；然后他们开始将原子拼接成越来越小的碎片。电子是第一个出现的，上世纪初从 JJ Thomson 的英国实验室中诞生；几十年后，质子和中子也出现了。这三种粒子以各种组合方式结合在一起，形成了元素周期表的全部 118 种元素。

但仔细观察后，我们发现了一种比质子、中子和电子自身所能创造的更为复杂的结构。1929 年，欧内斯特·劳伦斯 (Ernest O. Lawrence) 建造了第一台圆形粒子加速器，其周长仅为 5 英寸。劳伦斯对他的有趣新工具感到兴奋不已，开始使用它来探索亚原子尺度的广阔未知领域。科学家很快发现了新粒子。一些粒子，如介子，与电子有关；其他粒子，如夸克，后来被发现是质子和中子的组成部分。这些新粒子引发了全球性的狂热，物理学家开始建造越来越大的加速器，以逐步深入探索亚原子世界。费米实验室和欧洲核子研究中心 (CERN)（位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心）成为该领域的两大重量级人物，从那时起就一直在交替发现（参见“亚原子记分卡”）。

最终，物理学家们构建了一个被称为标准模型的理论，这个理论至今仍然适用。标准模型列出了宇宙的所有基本部分，并描述了支配它们相互作用的定律。标准模型是数千名世界顶尖人才 100 年努力的结晶，它将宇宙的基本构成要素简化为一套简单的规则，这些规则可以印在一件 T 恤上。这正是物理学家们喜欢的那种秩序和简单。费米实验室的实验物理学家 Harry Weerts 宣称：“归根结底，这个混乱的世界只有很少的东西。”

但有一个问题：标准模型预测应该存在希格斯玻色子——没有它，宇宙中的一切都会失去重量。不会有恒星、行星或人类，因为一切都会以光速在宇宙中飞行。“那里所有事物的质量都来自希格斯玻色子，”希尔解释说。据欧洲核子研究中心实验发言人彼得·詹尼称，物理学家需要希格斯玻色子来解释对普通人来说似乎很明显的事情：事物都有质量。
但寻找希格斯玻色子却一直存在困难。与许多基本粒子不同，希格斯玻色子通常不以独立粒子的形式出现。相反，它通常以以太场的形式出现，这是一种弥漫在整个空间的无形蒸汽。

现在，在你的鼻子和这张纸之间就有一个希格斯场，就像在宇宙的最远处也有一个希格斯场一样。

希格斯场对某些粒子施加的阻力大于对其他粒子。粒子受希格斯粒子的影响越大，它的重量或质量就越大。希尔将希格斯场比作海洋，海洋的洋流使某些生物难以移动，但对其他生物则不然。“例如，水母移动得有点慢，”希尔解释说。“这就像顶夸克的类似物”，顶夸克是已知的质量最大的粒子。相比之下，电子是一种非常轻的粒子，“就像一条可以四处游动的小鱼。”伦敦大学学院的物理学家大卫米勒用另一个比喻来形容希格斯场：名人。想象麦当娜参加的一场派对。由于大批喧闹的粉丝，她很难自由移动。麦当娜相当于一个重粒子，被希格斯场优先减慢了速度。与此同时，一个经常参加派对的人就像一个光粒子——没有狗仔队拖累她，她可以轻松地直接去自助餐厅。

要找到希格斯玻色子，科学家必须首先将其从希格斯场中分离出来。就像云只有在条件合适时才会形成雨滴一样，希格斯玻色子只有在能量足够时才会从希格斯场中凝结出来。这就是为什么粒子加速器将质子和反质子加速到如此不可思议的速度：将尽可能多的能量集中在一个狭小的空间里。

每当质子和反质子在粒子加速器内发生碰撞时（请记住，此类事件发生的频率高达每秒 250 万次），这些爆炸都会被 Tevatron 的两个探测器（称为 CDF 和 D，发音为 dee-zero）捕捉到。探测器内的电子传感器会仔细检查基本碎片，最终丢弃许多碰撞事件，只选择最优质的碰撞事件进行后续分析。

CDF 团队负责人 Franco Bedeschi 以只有粒子物理学家才能掌握的轻描淡写的本领，简单地用“大”来形容他的项目。事实上，检测、识别和追踪每次碰撞产生的大量新粒子的工作，类似于追踪一辆载着成熟西红柿的卡车以每小时 50 英里的速度折叠时散落的果肉。这是一项错综复杂、混乱的工作。复杂的计算机程序会比较和对比多年来数以万亿的碰撞，寻找数据中的异常趋势。

如果科学家们成功捕获希格斯粒子，他们会看到什么呢？就像这个行业中的所有事情一样，这并不是一件容易的事情。碰撞本身可以在计算机屏幕上“看到”——每次碰撞都会被转换成一幅图像，看起来像是从中心点射出的一团线。但是希格斯粒子不会出现在任何碰撞快照中，因为它几乎一出现就会蒸发成一对称为底夸克的奇异粒子。不幸的是，对于希格斯粒子猎人来说，底夸克也可以通过各种其他方式产生。然而幸运的是，希格斯粒子产生的底夸克具有特定的能级。因此，当物理学家的计算机程序筛选了大约 500 万亿次碰撞的残骸并发现具有可识别希格斯能量特征的底夸克激增时，灵光一现的时刻就会到来。

希格斯粒子研究人员面临的不仅仅是难以捉摸的物理定律，他们还在相互斗争。去年年底，欧洲核子研究中心的科学家发现了一些诱人的迹象，表明他们的粒子加速器已经产生了希格斯粒子。需要更多数据来证实，但欧洲核子研究中心即将关闭，以进行备受期待的升级。这是一个两难的境地：继续开放意味着推迟建造欧洲核子研究中心计划中的新加速器——大型强子对撞机。关闭意味着为费米实验室留下空间。欧洲核子研究中心的主任选择关闭。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机至少要到 2006 年才能投入使用，其功率将是费米实验室的 Tevatron 的七倍，每秒将产生 100 倍以上的碰撞。“这不是一个小的渐进步骤，而是一个新的巨大进步，”欧洲核子研究中心的 Peter Jenni 说。费米实验室的 Harry Weerts 对未来机器的功率更坦诚，他承认：“如果 LHC 现在就启动，那么在 CDF 和 D 启动电源就不值得了。”

但无论费米实验室在 2006 年之前捕获希格斯粒子，还是欧洲核子研究中心在之后捕获它，真正的问题是，回报是什么？希格斯粒子的作用远不止解释质量；物理学家希望它能为 21 世纪的物理学奠定一个全新的基础。一些预期的方向将是标准模型相当直接的扩展。其他方向则完全是怪异的，假设除了我们的标准三维之外，还存在各种维度，以及一大批新粒子。而且，很有可能没有人知道 20 年后物理学会是什么样子。

但这并不能阻止科学家们的疑惑。对于希尔和其他许多人来说，令人着迷的希格斯玻色子蕴含着许多答案。他说，希格斯玻色子会告诉我们的很简单：“从现在开始，物理定律是什么？”

物理学家如何寻找希格斯粒子

1. 质子从氢原子中剥离出来，然后被送入
主喷油器。

2. 一些质子被转移到靶室，在那里它们被射入一个镍金属桶中。
产生的碎片中有一小部分是反质子，它们会被过滤掉。

3. 反质子被送入主注入器，以与质子相反的方向循环。两者都加快了速度。

4. 质子和反质子进入 Tevatron。

5. Tevatron 中的超导磁体将质子和反质子加速到全速，然后将它们聚焦到其中一个探测器内的碰撞点。

6. 探测器拍摄碰撞产生的新粒子的快照（见插图）。这些数据被输入到计算机组中，计算机会筛选数万亿次碰撞以找到希格斯粒子。