世界上体积最大、能量最强的粒子加速器——“大型强子对撞机”（LHC）

 

　　让万物获得质量的粒子

 

　　世界上一切物体都是有质量的，我们在中学学习牛顿定律的时候，就把这当成理所当然的事情了。

 

　　可是，为什么物体会有质量？一直到上世纪50年代，好像也没有人认真地想过这回事儿。

 

　　世界上有些人就爱刨根问底儿，他们要寻找物质世界构成、运转的基本结构、基本规律，寻找这世界何以会如此的终极真理。

 

　　20世纪初期的时候，物理学家们好像已经找到了终极真理，他们认为，世界上一切事物都由原子构成，而物质世界的运动都受重力和电磁力的支配。

 

　　但是后来，人们发现，原子并不是构成世界的最基本粒子，原子内部也是有结构的：原子由原子核和电子构成，原子核由质子和中子构成，而质子和中子也不是基本粒子，它们是由各种夸克构成的。深入到这样的结构中后，物理学家发现，支配物质运动的不仅仅有我们日常生活中能够感受到的重力和电磁力，还有我们日常生活中无法感受的“强力”和“弱力”。

 

　　事情到这一步变得很混乱，用诺贝尔奖得主、标准模型建立者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说，那是“一个充满挫折与困惑的年代”。物理学家必须致力于寻找一种统一的理论，来描述所有这些基本粒子及各种力出现的机制。

 

　　物理学家们真是聪明，聪明得匪夷所思。到上世纪60年代，物理学家们真的构造出了一个标准模型，那上面使用的语言是我们普通人想破了脑袋也理解不了的，但我们只要知道结论就可以了——标准模型描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力(还差重力没有包含进来)以及所有基本粒子的构成机制。

 

　　要了解一点这个标准模型的神奇性，通过这一点就可见一斑了。标准模型中引入了英国物理学家希格斯提出的一种机制，通俗地理解是这样：空间中充满着希格斯粒子，当加速基本粒子时，容易碰撞希格斯粒子者就较难加速(质量较大)，碰撞几率较低者即容易加速(质量较小)。由此可以说，物质本身无所谓质量，质量是物质与希格斯粒子的相互作用。

 

　　可是就是这样一个叫人匪夷所思的模型，它的更神奇之处在于，基于这个理论的很多预言居然被一个又一个激动人心的实验证实了。当1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，被标准模型预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证！

 

　　但是还剩一个幽灵没找到，那就是让所有物质获得质量的，在标准模型中占有基础性地位的，被一些人称为“上帝粒子”的那个——希格斯粒子。

 

　　一定是个“大块头”

 

　　为什么希格斯粒子到现在还没有找到？原因其实也很简单，说起来很容易理解：它的质量一定足够大，以往使用的粒子对撞机能量还不够大，还不足以把它撞出来。

 

　　基于迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron) 以及其它加速器所做的工作，科学家推断希格斯玻色子的质量在114至185 GeV之间。

 

　　寻找理论假设中的希格斯粒子的另一个困难是，它极不稳定，如果确实存在，它将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。

 

　　事实上希格斯就认为，费米实验室的Tevatron加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据，“只是还没有从数据分析中找到而已”。

 

　　但是有一个“大家伙”的建成和投入使用，已经使科学家们获得了足够的信心：由于它所达到的能量已经足够大，因此这将是一个判决性实验——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。

 

　　这个“大家伙”就是于2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机(LHC)。它位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中，耗资总计约 20亿美元。在撞击器内那条27公里长的圆形隧道，超导磁铁会把质子和离子，加速至接近光速，然后相撞，在极细微空间爆发十万倍太阳温度的超级高温。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子。

 

　　欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔说，“如果我们足够幸运的话，我想明年就能有所成就。”

 

　　找到好，还是找不到好？

 

　　对于欧洲大型强子对撞机正在进行的实验，物理学家们当然是给予了高度的关注，但他们的心态却各有不同。

 

　　出生于1929年的希格斯说，希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯粒子的存在。他幽默地说：“如果届时还是没有发现，那我只能祝愿自己活得再长久一些了。”但他强调，如果总是不能证实希格斯粒子的存在，那么他将“非常、非常困惑”，因为他“无法想象除此之外还能怎样解释物质是如何获得质量的”。

 

　　但也有人说，许多理论物理学家都觉得，比起找到45年前就被预测的无趣老粒子，失败反而有趣多了。

 

　　事实上，即便找到希格斯粒子也不能解决所有问题。原有的标准模型本来就有一些缺陷，比如无法解释暗物质以及太阳中微子振荡。倘若真的找到了希格斯粒子，证明标准模型是多么的完美，人们还是要为那些无法解释的问题困惑不已。

 

　　而“标准模型”并非是惟一的理论体系，早有科学家另行提出了“超对称理论”、“弦理论”等等。它们同样期待通过大型强子对撞机的实验找到有利于自己的证据。

 

　　用100美元打赌找不到希格斯粒子的霍金就表示：“如果未能发现希格斯粒子，我想这将更令人兴奋。因为这说明这些想法是错误的，我们需要重新思考。无论大型强子对撞机发现或者没发现什么，其结果都将告诉我们有关宇宙结构的更多知识。”

 

　　找到了又能怎么样？

 

　　经常会有人提这样的问题，花那么大的代价，那么多的人力物力，去寻找什么玄而又玄的希格斯粒子，到底有什么用？到底值不值？

 

　　物理学家会用一句话来回答这个问题：人和蚂蚁不同，我们有求知欲，我们需要了解生命和宇宙的机制。

 

　　事实上，科学上很多重要的发现都不是出于功利的目的。人之所以和世界上其他的动物不同，就在于人有好奇心，人有求知欲。我们从哪里来？我们到哪里去？这个世界到底是什么？对这些终极问题的求索，使得人类世界与动物世界有了根本不同的面貌。

 

　　即便是从功用的角度说，历史的经验总是证明了，科学真理的发现一定会给我们的实际生活带来有用的影响。比如说，当年创建量子力学的那些物理学家，他们的兴趣也许只为探索物质世界的终极奥秘，但如果没有建立在量子力学基础上的半导体理论，电子计算机的发明就完全不可能，我们今天信息时代的生活也就不可想象。

 

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