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捉“上帝粒子”的中国人

2012-08-08
上帝粒子,希格斯玻色子,中国人,欧洲核子研究中心
捉“上帝粒子”的中国人
2012年07月26日 第499期捉“上帝粒子”的中国人
文/华琪 编辑/彭朋 人物摄影/王晓东 标签:科技
7月4日,欧洲日内瓦核子研究中心宣布,找到了疑似“上帝粒子”希格斯玻色子的新粒子。英国《泰晤士报》评论说,这一发现的意义,如同人类当初发现万有引力、进化论、DNA双螺旋结构等。全世界共有7000多名科学家参与...

陈国明在北京中科院高能所,他也是欧洲核子中心缪子探测器项目中国组成员

在北京西南四环外的一排居民楼后面,隐藏着一个一般人很难说清楚是做什么的机构:中科院高能物理研究所。从正门进去可以看到一尊名为“物之道”的黑色雕塑,两个粒子缠绕在一起,旋转的线条向外延伸。物理学家李政道的题词被刻在黑色大理石基座上:道生物,物生道,道为物之行,物为道之成,天地之艺物之道。

这是一个研究“物之道”的地方,大到宇宙是如何诞生,小到形成这个世界的最小砖块在哪里,许多科研人员穷尽一生的时间演算和实验,可能也只是了解万分之一二,哪怕是这样,在粒子物理学领域也足够发上一篇半篇的论文了。

7月4日,物理学界迎来了一件大事情。欧洲日内瓦核子研究中心宣布,找到了疑似“上帝粒子”希格斯玻色子的新粒子。在7000多名科学家参与的这场寻找“上帝粒子”的国际联合科研行动中,中科院高能所承担部分探测器部件的制造,以及实验数据的分析任务。高能所研究员陈国明是欧洲核子中心缪子探测器项目中国组成员。

陈国明是个率真、可爱的中年人,常常在说话间哈哈大笑。他不经意间流露的对于粒子物理的热情让人忍不住羞愧。“这比别的工作要好,别的都是赚钱,为老板卖命。这个呢,除了赚钱养家糊口,多少有点兴趣。希格斯有没有?这是个问题。宇宙怎么来的?这也是个问题。”

陈国明不太喜欢“上帝粒子”这个称呼,总要改口说是“希格斯玻色子”——对物理学家而言,任何不精准的描述和笼而统之的比喻都是一种折磨。早在念博士后时,陈国明就介入了寻找“上帝粒子”的漫长历程,至今已经25年。

“粒子物理”对普通人来说是个遥远的概念,陈教授也很少和家人及圈外朋友聊这个话题。哪怕是看懂挂在办公楼门口的海报也不是一件容易的事。两张写满数字和运算公式的英文说明书是介绍西藏羊八井观测站的。还有一张海报上,一个白胡子老头在微笑,背后是宇宙苍穹。问过才知道那是美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann),海报是纪念他诞辰80周年。

大名鼎鼎的盖尔曼获过诺贝尔奖,是“夸克之父”。和另一位美国著名物理学家理查德·费曼一样,他是个有趣古怪的老头,认为理论物理以外的学术都是二等学术。盖尔曼在这里人气极高,2010年的海报到现在也没人取下来。成为盖尔曼,是这里所有人的梦想。

欧洲强子对撞机实验室进行的粒子对撞轨迹图


欧洲核子研究中心

在瑞士和法国的边境地下,人们修建了一个巨大的工事。若你从法国村庄克罗泽的中央垂直向下100米,你会突然掉进一个坑,好像电影中描述的科学怪人们的工厂。一条宽3米的隧道呈曲线伸向远方,隧道里布满了各种管线,一根好似暖气管样的管道躺卧在中央,每隔几米就是个蓝色的接头。若你沿着它走,你会发现每走几公里就有一个高大的洞厅,里面装满了各种连杆、支架、电缆和奇形怪状的金属部件,灯火通明。走完27公里,你又回到出发的地方。

这里是欧洲核子研究中心(简称CERN),长长的隧道里安放的机器是大型强子对撞机(简称LHC)。2008年10月9日,大型强子对撞机启动,目的是让两束粒子以相反方面在圆周27公里的环状管道内加速,以接近光速的速度迎头撞上,激烈的对撞会产生各种类型的迷人粒子,其中有些可能是我们从未见过的。它的重要使命之一就是寻找希格斯玻色子(俗称“希格斯粒子”)。

整个隧道里设置了四个对撞点,那些分布在隧道沿途的四台大型探测设备会精密检测碰撞中迸发出的物质,像照相机那样捕捉碰撞产生的所有碎片细节。最大的一台是超环面仪器(ATLAS),有巴黎圣母院的一半那么大;最重的一台是紧凑缪子螺线管探测器(CMS),比埃菲尔铁塔还要沉。这两台探测器在实验中都检测到希格斯粒子存在的痕迹。

早在苏黎世念博士时,陈国明就因为研究项目常去欧洲核子研究中心转悠。2008年大型强子对撞机启动后,为了安装调试CMS探测器,以及其他国际合作,陈国明常去日内瓦总部出差。他还留着一把CMS试验区地面研究中心办公室的钥匙。那是个理想主义者扎堆的地方。一楼的咖啡厅里,大群同行端着咖啡就开始讨论理论问题,外人听来,仿若天书。

“你别看有那么粗的管道,”

陈国明拱起手给记者比划着,“中间的加速管半径只有4厘米,里面是一个束团一个束团的质子,每个束团有一千亿个质子,头发丝那样细,它们在管道里加速,看能不能碰上。”

在此次寻找“上帝粒子”的国际联合科研行动中,中国物理学家们参与了包括CMS和ATLAS在内的所有4个试验项目,最重要的贡献是参与制造对整个CMS实验至关重要的缪子探测器以及相关试验分析。陈国明曾经去过那个探测器的安装现场。“戴着安全帽乘电梯往下100米,一个巨大的10层楼高的大厅里,横卧着一个啤酒桶样的设备,那就是CMS探测器。啤酒桶的两端各有三片盖子,我们管它叫端盖,我们中国造的就是端盖的一部分。”他说。

“那个环形轨道,人也是可以进去的。进去要刷卡,系统会登记,再刷卡出来,只有确保里面没有人时,才会开始对撞。轨道里有人,机器就会自动锁死。”陈国明回忆道。“撞的时候,管道里会抽真空,保持超导磁铁的4K(约-269.15℃)以下的温度,非常非常费电,会瞬间产生巨大的辐射。”

在高能所,陈国明带记者走进另一间办公室,“让你看看粒子对撞是什么样的,”他说。那是一间普通的会议室,一面墙上挂着4个液晶显示器,另一面桌上放着3台电脑。他让助理打开墙上的显示器,四个画面都不一样,其中一个画面,几个外国人在一排电脑前走来走去,“那就是日内瓦的总部,”他说;另一个画面,两个粒子在模拟彩色屏幕上静静地待在一个圆的两端。还有两个画面是些数据和波形。

“哦,他们现在没有撞,今天刚好休息。”原来,这是CMS试验在北京设置的监测点。这些监测点要确保机器正常运行。“有38个国家参与了CMS试验,每个国家都要负责一段监测时间,中国承担一部分亚洲时区的监测任务。”他说,“其实就是看看机器运行有什么问题,有问题屏幕上就会冒出一个红色的小气球,问题越大,气球越大,总部有专门的专家组负责解决这些问题。”

他打开旁边一台电脑,点开一张图。许多彩色原点在一条直线上呈放射状散开,并交织在一起,像一朵朵盛放的彩色烟花。“这就是质子撞中的情形,颜色是人工模拟的。这些是你会在屏幕上看到的东西。”他指了指那块毫无动静的屏幕。“两个束团里有多少粒子能相撞?”记者问。

他仿佛在等待记者惊讶的表情:“只有20个,撞出的都是强子事例。撞出希格斯粒子的概率要小很多,比强子事例的概率还要小12个量级(注:10的12次方分之1)。”也就是说,在几十兆次的对撞中,只有一次可能产生希格斯粒子。

7月4日,欧洲日内瓦核子研究中心宣布,找到了疑似“上帝粒子”希格斯玻色子的新粒子


寻找希格斯粒子

在确定找到希格斯粒子之前,科学家们的主要顾虑是如何判定找到了希格斯粒子?需要多少证据才能证明是找到了呢?为此,欧洲核子研究中心设计了两组实验竞争,寻找相同的粒子,如果一个实验找到了,而另一个实验没有,则不能宣布这项发现。

在《美国国家地理》杂志的一篇文章中,ATLAS和CMS实验被类比成“可口可乐”和“百事可乐”,他们目标一致,但使用不同的技术,且竞争激烈。CMS实验有3000多名科学家参与,在内部,他们被分成许多小组;同一组数据,至少两个组在做分析,在竞争的同时也互相验证。

“你无法从显示屏上直接看到希格斯,”陈国明说,“只能靠事后的数据分析。”希格斯的寿命非常短,刚一产生就衰变成多个碎片,但这些碎片和其他粒子衰变的碎片又很像。探测器记录的细节就好像照相机的相片,要从成百上千万亿张照片中找到希格斯的痕迹,是十分十分困难的事情。

2005年,陈国明开始做数据分析,研究希格斯的衰变方式,寻找用合理的方法在一堆碎片中判定希格斯的存在。他们发明了一种相对高效准确地从碎片中分辨希格斯的痕迹的方法,今年CMS合作组采用了中国组的分析方法,这比去年美国组的方法的灵敏度高3%。

对于欧洲原子核中心发布的研究结果,陈国明表现得很淡定。作为分析组的成员,他实际早已从数据里看到了新粒子的存在。“我们自己也在分析,用的是5月中旬的数据,别人的结果和我们是一致的。其实在5月下旬许多相同的分析结果都出来了。所以要说谁最先发现希格斯,还真不好说。”他说。

希格斯粒子的各个衰变道的任何初步结果分析出来后,都要经过一级级的评审,直至最后发布结论,十分严谨。“我有个学生负责把CMS各个衰变道的结果合在一起,最后得出结论。有一天深夜,他发了邮件给我,我想,应该这就是结果了。”他说。“作为粒子物理学家,能看到这一刻,真是非常非常幸运。”

物理学界已经沉闷许久。大部分的对撞不会产生什么特别有趣的事情,自1995年粒子物理学家发现顶夸克后,已有16年没发现任何新粒子。

著名华裔物理学家丁肇中曾经在1972年领导一个小组在纽约的一个实验室进行了一系列实验,寻找新的重粒子。对于实验的艰巨和复杂,他曾经这样比喻道:“在雨季,一个像波士顿这样的城市,一分钟之内也许要降落下千千万万粒雨滴,如果其中的一滴有着不同的颜色,我们就必须找到那滴雨。”

这是粒子物理学家常常面临的寂寞,新粒子往往被某一种理论预言,你必须选择信仰一种理论,然后通过海量实验去寻找它。可能进行几十亿次的对撞后,你没有找到你想要的粒子。这时候,普通人该要怀疑人生了,粒子物理学家们会改进实验方法,继续下去。意大利的粒子物理学家乔尔达诺在觉得研究无望后写起了小说,《质数的孤独》让他意外成名。他曾经研究的是和夸克有关的粒子。



找寻希格斯的历史

在物理学中,有一个自圆其说的概念,是“标准模型”,它描述了自然界的微观世界里,基本粒子相互作用的规律。这个模型在不断发展中慢慢完善,唯一的缺陷在于无法解释万物的质量从哪里来。1964年,物理学家希格斯对模型进行了修正,他提出“希格斯场”,认为在137亿年前的宇宙大爆炸中,世界从无到有,希格斯玻色子使物质得到质量,恒星和行星得以诞生,最终孕育生命,演化了万事万物。

因为希格斯是那个至关重要的金手指,于是这种粒子被称为“上帝粒子”。自它被提出开始,人们就开始了漫长的寻找。要找到希格斯并不容易,和大部分次原子粒子比起来,希格斯玻色子理论上可以很重,它的质量可能是质子的1000倍,这就是为什么需要一个大对撞机来制造一个希格斯粒子——撞击的能量越大,碎屑中的粒子也愈大。

寻找希格斯的工作早在上世纪就开始。1987年,陈国明硕士毕业,加入了著名华裔物理学家丁肇中领导的正负电子对撞机(LEP)试验组。但LEP上的试验没找着希格斯,意外的收获是,为了让物理学家们能够方便地远程传输数据,一个叫蒂姆·伯纳斯·李的英国软件工程师发明了万维网。

位于美国费米实验室的Tevatron对撞机,花费了20年,依稀见到了希格斯粒子的影子,但它在2011年10月停止运行,因为在能量和亮度方面都竞争不过欧洲人的LHC。在欧洲人建LHC之前,美国曾想花钱造一个世界上最厉害的对撞机SSC,目标之一也是寻找西格斯,但这个项目太费钱了,最后被国会否决。

去年底,欧洲核子中心曾传出消息,说科学家们可能在海量的数据中分析出希格斯玻色子的蛛丝马迹。之所以说可能,是因为ATLAS只在99.9%的置信度上看到了希格斯粒子的影子,CMS实验的置信度只有99%。而在物理学家的精确体系里,宣布一个发现,实验置信度必须达到99.99994%。

直到今年7月4日,在日内瓦欧洲核子研究中心的发布会上,核子中心的主任才拿着话筒,小心翼翼地宣布:“要是我说句有点外行的话,我现在会说,‘我想我们找到了它’。大家同意吗?”全场鼓掌。

是的,按照内行的话说,那只是一个很像希格斯粒子的粒子,进一步判定还需要时间,它也有可能是个新粒子。但无论如何,这都是改变世界的发现。

“关于解释我们这个世界是如何诞生的,有很多模型,标准模型只是其中的一种。每种模型都是在实验和理论中完成鸡生蛋、蛋生鸡的演进过程。即使确认了这就是标准模型预言的希格斯粒子,标准模型也未必就是真理。”陈国明表示:“接下去我们还要继续把这种粒子撞出来,分析数据,研究它的各种性质。”

欧洲核子研究中心内安放的大型强子对撞机

本文由《外滩画报》链接:http://www.bundpic.com/2012/07/19112.shtml
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