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2012年或为物理学突破年

2012-02-03
物理学突破年
2012年或为物理学突破年
2012年02月03日 南方周末 作者: 李淼

  在过去的16年中,可以用郁闷来形容粒子物理学家的集体状态,因为他们不仅没有发现任何新粒子,也没有太多的其他发现,但是这个状态在2012年很可能被打破。

  年末的“谣言”

  在2011年行将过去时,物理学界又来了一波新闻冲击。这次当然是来自一直被媒体和普通人关注的欧洲大型强子对撞机(LHC),在这个对撞机上一直工作的四个探测器中的两个在12月13日举行联合学术报告,对同行和媒体透露他们对最新数据作出的最新分析结果。

  在举行联合学术报告之前十天,网上已经疯传探测器ATLAS和探测器CMS的结果,这次的结果与寻找希格斯粒子即所谓上帝粒子有关。同行们对谣言的反应各色各样,有的相信,有的不信,有的说要持谨慎态度,有的说粒子物理学已经获得突破,有些人甚至在网上吵了起来。我一直是个乐观的人,倾向于相信大型强子对撞机终于俘获到了希格斯粒子作案后留下的一点痕迹。


这一次,希格斯粒子就像小偷一样一晃而过,留下了一些痕迹,特别是两个光子事件和四个轻子事件  不论信和不信,为什么大家如此兴奋?原因是,自从粒子物理学家80年前开始用对撞机这类大型玩具寻找各种粒子以来,这是第一个与众不同的粒子。这个粒子与众不同到什么程度?参见相关文章《为什么希格斯粒子这么特殊?》。另外,1995年粒子物理学家发现了顶夸克,在那之后,已经有16年没有发现任何新粒子了。在过去的16年中,我们基本可以用郁闷这个词来形容粒子物理学家的集体状态,因为我们不仅没有发现任何新粒子,也没有太多的其他发现,例如没有发现任何新型相互作用——我们平常称为“力”的东西。

  著名物理新闻和科普网站“物理世界”(PhysicsWorld)在去年年终总结了物理学2011年十大进展,没有将大型强子对撞机找到希格斯粒子的证据包括进去。这可以理解,因为下面我们会说到,大型强子对撞机虽然看到了疑似希格斯粒子,还不算真正看到了。

  另一个大新闻

  2011年物理界还有一个重大新闻,同样与欧洲核子中心有关。位于意大利Gran Sasso国立地下实验室的中微子实验OPERA在9月22日宣布,他们测量到了中微子的速度超越了光速!OPERA接收到的中微子来自于欧洲核子中心,两地距离大约为730千米。

  这显然是一个比希格斯的发现更加重大的新闻,因为超光速是相对论和量子力学两个理论联合禁止的。如果中微子真的超光速了,那么整个物理学基础必须重新考虑了。因此,OPERA谨慎地说,他们已经考虑实验中各种可能出现错误的地方,但没有找到,无奈之下,只好将结果用学术论文的形式公布出来,让全世界物理同行来检查。这篇论文在网上出现后,已有一百多篇论文讨论中微子超光速问题。与希格斯粒子的证据一样,中微子超光速同样没有被“物理世界”列为物理学2011年十大进展。

  ATLAS的证据

  回到2011年12月13日。那一天欧洲时间下午,欧洲核子中心大型强子对撞机上的两个探测器研究组,ATLAS和CMS,举行了大家已经在谣言中期待了十天的报告,将他们对2011年一年的数据分析结果公之于众。

  说这两个研究组是组确实不恰当,因为每个组的人员都不少于三千人。感谢大型强子对撞机以及两个探测器ATLAS和CMS的高性能运行,感谢这两个组的研究人员夜以继日地工作,他们在极短的时间内分析了海量数据中含有的希格斯粒子的信息,终于在圣诞节前获得较强的希格斯粒子的证据:这个粒子的质量大约是125GeV左右,这里一个GeV是10亿电子伏特,一个质子的质量大约是一个GeV。

  ATLAS是英文A Toroidal LHC Apparatus(一台环形LHC仪器),这个名字看上去很普通,看上去更像是为了套用希腊神话中的大力神巨人的名字。ATLAS是目前世界上最大的探测器,长46米,高25米,重七千吨。在12月13日的联合报告中,ATLAS的领导人、意大利籍的Fabiola Gianotti先做报告,她的报告持续了近一小时,超过了预告的半小时。Gianotti看上去是一位很干练的女性,与我同年。她从1992年起就为ATLAS工作,那时这个探测器还没有影子,大家也只是做筹备工作。这个探测器3年前第一次启动,但不幸的是,大型强子对撞机在启动后很快坏了。维修了一年多,终于在两年前重新启动,到目前为止运行正常,而且是高性能地运转。终于,他们能够在12月给全世界带来令人兴奋的结果,ATLAS以99.9%的置信度看到了希格斯粒子的踪影。

  可是,在物理世界中,99.9%实在不算一个接近100%的数字。历史上,物理学家有很多次在这个置信度上看到了离奇的现象,过了一段时间后又消失了。所以,粒子物理学家在1995年发现顶夸克后制定了一个不成文的标准,宣布一个发现,实验的置信度必须至少是99.99994%,也就是说,发现是虚幻的可能只有不到千万分之六的可能。为什么是这个离奇的数字?因为根据统计学,这个数字相当于物理学家得到的信号超过所有可能的误差的5倍。

  CMS的证据

  2011年12月13日欧洲时间下午,我一直在网上看来自欧洲核子中心的视频直播,并将我获得的最重要的信息及时在微博上直播。ATLAS报告之后是CMS的报告。CMS是英语Compact Muon Solenoid缩写(紧致渺子螺管),是比ATLAS小的探测器,长21.5米,高15米。这台探测器虽然比ATLAS小,却重达一万两千多吨。探测器这么重原因是,需要强大的磁场是来弯曲高能带电粒子从而测量它们跑得多快,而产生强大的磁场需要很多铁。所以,这台探测器并不像名字显示的那样紧致。这台探测器的主要目的和ATLAS一样,是俘获希格斯粒子,同时寻找超出粒子物理标准模型的新物理原理,例如超对称。

  CMS领导人是Guido Tonelli,已经62岁了,与ATLAS的领导人Fabiola Gianotti一样来自意大利。他从2010年1月开始成为CMS发言人,领导着一个有三千六百人的团队。CMS看到希格斯粒子踪影的置信度稍低些,大约有99%的置信度,同样,在粒子物理学中这是一个不可信任的置信度。但CMS和ATLAS一样,在不同的地方看到了希格斯的踪影,这是为什么多数粒子物理学家相信他们看到了希格斯,而且相信他们将在今年确凿无疑地俘获希格斯。

ATLAS的领导人、意大利籍的Fabiola Gianotti在做发现希格斯粒子踪影的报告  到底有多靠谱

  就像在两个学术报告作出之前的十天内一些物理学家所做的那样,两个组的发言人在宣布这个激动人心结果的同时警告我们,希格斯粒子还不能说完全被发现了。

  在过去发生过很多不靠谱的事情,实验粒子物理学家们时不时地宣布发现了什么,让理论粒子物理学家们激动了几天,写了很多论文。不久,等积累了更多的数据,“发现”消失了。因此,不少理论粒子物理学家们都有了心理创伤,对置信度不“达标”的发现怀有警惕心理。

  现在,ATLAS的局部置信度是3.6个标准误差,CMS的局部置信度有2.6个标准误差,分别是99.95%和99%可信。这还没有包括人为的涨落效应。物理学家在做统计时,用一定的能量区间来做直方图,这个做法有时会人为地放大涨落。所以,更加可靠的统计分析是整体置信度。如果考虑整体置信度,两个组的结果都不到3个标准误差。而在过去就有3个标准误差的“发现”随着时间蒸发了。

  粒子物理学家用积分亮度来表示数据量,这相当于单位面积上发生了多少次粒子事件。2011年一年的数据到底有多少?用专业术语来说,每个组的积分亮度分别是5个飞靶倒数。用直观的比喻,大约是长2000米、宽100米、深1米的沙子数目。我们期待2012年两个实验组将毋庸置疑地发现上帝粒子,因为2012年的积分亮度将是2011年的4倍。如果上帝粒子的质量真的是125GeV,两个组都会获得5个标准误差的置信度。

  这一次,希格斯粒子就像小偷一样一晃而过,留下了一些痕迹,特别是两个光子事件和四个轻子事件。有位物理学家说,他在25年前建议要重视两个光子事件(希格斯衰变后留下两个光子),而ATLAS和CMS分别多花了三千万美元建了足够好的光子探测器,这次真的派上用场了。

  深层的对称性

  作为人所周知的“上帝粒子”,希格斯粒子除了带给其他基本粒子质量,还负责破坏更深层次的对称性,使得我们这个世界看上去不那么完美,却更丰富多彩。

  根据粒子物理标准模型,世界本来不止光子和胶子没有质量,传递弱相互作用的中间玻色子也没有质量。在物理学中流传一句话:“作用量决定动力学,对称性决定作用量。”这里,作用量是物理学中最重要的一个量,我们且不管它的数学定义。而对称性是我们熟悉的,例如,在真空中,没有特殊的点也没有特殊的方向,这对应于“平移不变性”和“转动不变性”,前者告诉我们真空中的任意两个点是平等的,后者告诉我们真空中所有方向是平等的。

  在这些直观可以感到的对称性之外,基本物理学中还有一些隐性的对称性,它们的存在使得光子和胶子没有质量从而产生了力。本来,弱作用也有一种对称性,对应的传递弱力的中间玻色子也没有质量。但是,希格斯粒子就像一个指针,它的存在破坏了这种对称性(就像我们在真空里放一个指针破坏了所有方向的平等性),在破坏这种对称性的同时赋予中间玻色子以质量。这样,中间玻色子在真空中就像胖子一样跑不远,所以弱作用是短程力。

  希格斯粒子还有一个特点,就是对真空的敏感性。真空其实不空,每时每刻,一些粒子在真空中瞬时出现,又瞬时消失。真空的这个特点叫量子涨落。希格斯粒子在破坏真空的对称性之后也“长胖了”,成为有质量的粒子,但是它的质量对瞬时产生和消失的粒子很敏感。理论家们计算后发现,其实希格斯粒子的自然质量要远远大于125GeV。如果希格斯粒子的质量远远大于125GeV,那么电子的质量和其他粒子的质量也应该很大,我们的世界就不会是目前这个样子。那么,是什么东西在冥冥之中保护了希格斯,让它不会吃得太胖?这是粒子物理学家数十年来一直疑惑的大问题。

  还有超对称

  有一个也存在了数十年的对称性可以帮助物理学家(从而帮助了整个世界!),这个对称性叫超对称。物理学家们用了超对称这个名字的原因是,这种对称性既不同于我们前面提到的空间对称性,也不同于使得光子没有质量的对称性。超对称要求对应于自然中的每一个粒子还存在另一个粒子,这些粒子我们一直没有看到,所以超对称也不是完美的对称性。

  超对称本来像一面镜子,在镜子的外面是自然界中所有的已知粒子,镜子里面是所有已知粒子的镜像——它们组成了另一个我们还没有发现的世界,当然也存在于我们所在的同一个空间中。现在,由于某种未知的原因,这个镜子被打破了,从而镜子中的那些粒子与我们看到的粒子不完全一样了,它们更重,这是迄今我们还没有看到这些粒子的原因。但这些粒子的存在保护了希格斯粒子。当真空中粒子产生和消失使得希格斯粒子的质量变大时,那些超对称粒子的产生和消失使得希格斯粒子质量变小。粒子物理学家们还没有找到一个比超对称更好的方法解决希格斯粒子的质量问题,所以多数人相信超对称性以及超对称粒子。

  现在,大型强子对撞机在过去一年中工作的结果告诉我们,超对称这个理论是有机会的。原因很简单,一个质量小于130GeV的希格斯粒子让原来的标准模型变得很不完美。

  有几位物理学家分析道,假如没有新物理原理,没有标准模型之外的新粒子,那么真空是不稳定的,能量达到一千亿GeV时,希格斯场将导致灾难。虽然这个能量很高,考虑到量子力学,只要时间足够长,那么真空总会在某一个地方开始衰变。计算表明,这个等待时间长于宇宙的现在年龄。看起来似乎与我们还活着不矛盾,但理论上,这是一个不完美的世界,甚至是一个自相矛盾的世界。所以,肯定会有新的物理原理和新粒子将真空稳定下来。也就是说,如果希格斯粒子的质量真的是125GeV,标准模型肯定不是粒子物理的最后理论。如果足够幸运,大型强子对撞机将会发现部分新物理原理。

  2012年肯定不是世界末日。在物理学中,2012年将是激动人心的一年,很可能载入物理学史册甚至人类文明史册。2012年,我们将俘获希格斯粒子,我们可能发现新的物理学原理例如超对称。甚至,如果足够侥幸的话,中微子超光速将被其他实验验证。

  (作者系中科院理论物理研究所研究员)


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