希格斯玻色子被視為自原子結(jié)構(gòu)揭示以來我們對宇宙認(rèn)識的最大突破。它是理解“為什么存在質(zhì)量”和“原子如何是可能的”等問題的關(guān)鍵。在人類投入了90億美元，付出幾十年的努力建的大型強(qiáng)子對撞機(jī)成功運(yùn)行后，經(jīng)過6000多研究人員的辛勤工作，難以捉摸的希格斯玻色子終于被發(fā)現(xiàn)了。2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)現(xiàn)希格斯子的三位物理學(xué)家。
《尋找希格斯粒子》不僅解釋了希格斯玻色子的重要性，而且詳細(xì)介紹了大型強(qiáng)子對撞機(jī)這一有史以來建造的最大機(jī)器。加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家卡羅爾對這一項(xiàng)目的緣起和進(jìn)展都做了繪聲繪色的描述。這是一個(gè)講述有關(guān)人類如何在渴望理解宇宙的推動下做出我們這個(gè)時(shí)代最偉大的科學(xué)成就的故事。
作者簡介：
肖恩卡羅爾博士是加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家，著有《從永恒到此處》——一本探索時(shí)間的終極理論的書。他從哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位后，一直在研究粒子物理、宇宙學(xué)和引力。他是著名物理學(xué)博客群“宇宙方差”的創(chuàng)始人之一。肖恩卡羅爾與妻子作家詹妮弗維萊泰住在洛杉磯。
目錄：
序幕
1物質(zhì)為什么很重要
2堪稱神圣
3原子與粒子
4加速器的故事
5史上最大的機(jī)器
6智破粒子
7波動的粒子
8穿越破鏡
9實(shí)驗(yàn)室沸騰了
10“希格斯子”不脛而走
11諾貝爾的夢想
12地平線之外
13粒子物理學(xué)的未來
附錄1質(zhì)量與自旋序幕
1物質(zhì)為什么很重要
2堪稱神圣
3原子與粒子
4加速器的故事
5史上最大的機(jī)器
6智破粒子
7波動的粒子
8穿越破鏡
9實(shí)驗(yàn)室沸騰了
10“希格斯子”不脛而走
11諾貝爾的夢想
12地平線之外
13粒子物理學(xué)的未來
附錄1質(zhì)量與自旋
附錄2標(biāo)準(zhǔn)模型粒子
附錄3粒子及其相互作用
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參考文獻(xiàn)
致謝
名詞索引
序幕
喬安妮·休伊特感到有點(diǎn)暈眩。她在對著攝像機(jī)鏡頭興高采烈地說話時(shí)，臉上總是洋溢著燦爛的笑容。此刻，出席舊金山瑞士領(lǐng)事館聚會的人們正沉浸在一派喧鬧聲中。這個(gè)聚會是為慶祝大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）第一次在地下的機(jī)器隧道內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)子循環(huán)而舉辦的。位于日內(nèi)瓦郊外法國—瑞士邊境的這臺強(qiáng)子對撞機(jī)是一臺巨大的粒子加速器，其目標(biāo)是要揭開宇宙的秘密。香檳四溢，沒人驚奇。喬安妮提高了嗓門強(qiáng)調(diào)到：“為了這一天我已經(jīng)等了25年了�！�
這是一個(gè)重要時(shí)刻。在2008年的這一時(shí)刻，粒子物理學(xué)家們終于實(shí)現(xiàn)了他們長期堅(jiān)守的夢想——為了邁出下一大步，他們需要建造一臺能夠讓質(zhì)子以巨大能量相互對撞而粉碎的巨型粒子加速器。那會兒他們曾認(rèn)為美國會建一個(gè)這樣的裝置。但事情并沒有如預(yù)期的那樣發(fā)生。1983年，休伊特剛開始讀研究生，當(dāng)時(shí)美國國會首次同意在得克薩斯州建造超導(dǎo)超級對撞機(jī)（SSC）。原計(jì)劃這臺機(jī)器將在2000年以前開始運(yùn)行，它將是當(dāng)時(shí)世界上建造的最大的對撞機(jī)。她，像她那個(gè)時(shí)代的大多數(shù)充滿朝氣雄心勃勃的物理學(xué)家一樣，相信在這臺裝置上的發(fā)現(xiàn)能夠奠定他們的研究生涯的基礎(chǔ)。
但是，SSC被取消了，物理學(xué)家們指望改變未來幾十年研究領(lǐng)域面貌的平臺被人拆了。政治、官僚主義和內(nèi)斗處處擋道�，F(xiàn)在的LHC，在很多方面都與SSC非常相似，經(jīng)過長時(shí)間的等待后終于要進(jìn)行第一次運(yùn)行了。休伊特和她的同事們早已經(jīng)準(zhǔn)備就緒�！霸谶^去的25年里，我所做的事情就是對提出的每一種新的瘋狂的理論進(jìn)行分析，計(jì)算它們在SSC或LHC上的印跡（即我們?nèi)绾握J(rèn)定新的粒子），”她說。
讓休伊特感到暈眩的還有另一個(gè)更為私密的原因。在視頻中，她的一頭紅發(fā)剪得很短，幾乎是平頭。這不是時(shí)尚的選擇。在那年的早些時(shí)候，她被診斷出罹患惡性乳腺癌，治愈的機(jī)會大約只有五分之一。她選擇了一種非常積極的治療方案：痛苦的化療加簡直是無窮無盡的手術(shù)。她那標(biāo)志性的、以前一直垂到腰際的紅色秀發(fā)很快消失了。很多時(shí)候，她對困境付之一笑，安之若素，始終保持著高昂的精神狀態(tài)積極思考在LHC上能發(fā)現(xiàn)什么新粒子。
作為朋友和同事，我和喬安妮彼此已相識多年。我自己的專長主要在宇宙學(xué)，對宇宙做整體研究，這一領(lǐng)域近年來可謂處于新數(shù)據(jù)和驚人發(fā)現(xiàn)勃發(fā)的黃金年代。粒子物理學(xué)，這個(gè)已經(jīng)變得與宇宙學(xué)密不可分的知識領(lǐng)域，正渴望著新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便能顛覆現(xiàn)有的理論狀態(tài)，引領(lǐng)我們進(jìn)入到一種新的設(shè)想。這種壓力已經(jīng)持續(xù)了很長時(shí)間。聚會上的另一位物理學(xué)家，華盛頓大學(xué)的戈登?沃茨，被問到長時(shí)間期盼著LHC是不是一直很緊張�！澳鞘强隙ǖ�。你看我這里的頭發(fā)都灰白了。我妻子說那是因?yàn)槲覀兒⒆拥木壒�，但�?shí)際上確實(shí)是因?yàn)長HC�！�
粒子物理學(xué)家站在了一個(gè)新的時(shí)代的邊緣，在這個(gè)新時(shí)代里，有些理論將被淘汰，而另一些理論則變得值得投錢。聚會中的每一位物理學(xué)家都有他們自己鐘愛的模型——希格斯玻色子、超對稱、彩色、額外維、暗物質(zhì)，以及一大堆奇思怪想的概念和夢幻般的推想。
“我希望LHC發(fā)現(xiàn)的‘不是上面的任何一種’，”休伊特?zé)崆榈卣f道�！拔掖_實(shí)認(rèn)為它會帶來驚喜，因?yàn)槲艺J(rèn)為大自然要比我們聰明，她為我們準(zhǔn)備了驚喜，我們得好好花時(shí)間來搞清楚這一切，那將是巨大的進(jìn)步！”
那是在2008年�；氐�2012年，舊金山的那場為慶祝LHC落成的聚會已經(jīng)結(jié)束，做出新發(fā)現(xiàn)的新紀(jì)元已正式開始。休伊特的頭發(fā)長起來了。治療雖然痛苦，但似乎很管用。她的整個(gè)職業(yè)生涯中一直期待著的實(shí)驗(yàn)正在創(chuàng)造歷史。經(jīng)過二十五年的理論打磨，她的想法終于等到了用真實(shí)數(shù)據(jù)——一些迄今為止我們從來不曾見過的粒子和相互作用——進(jìn)行檢驗(yàn)的時(shí)刻，那是大自然一直藏著不肯輕易示人的驚喜。
鏡頭拉回到2012年7月4日——國際高能物理會議開幕的當(dāng)日。這是一個(gè)每兩年一屆的會議，在不同年份由世界上各個(gè)不同的城市輪流舉辦，這一年輪到了澳大利亞的墨爾本。包括休伊特在內(nèi)的好幾百位粒子物理學(xué)家正濟(jì)濟(jì)一堂，在主會場聆聽一場特殊的研討會。建造LHC的所有投資，機(jī)器運(yùn)行期間的所有期待，就要在此時(shí)得到回報(bào)了。
研討會在日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）的LHC實(shí)驗(yàn)室和墨爾本同時(shí)舉行。有兩場報(bào)告會，作為大會議程的一部分通常應(yīng)在墨爾本主會場舉行。但在最后時(shí)刻，大會決定，宣布新發(fā)現(xiàn)的那一刻應(yīng)當(dāng)與為實(shí)現(xiàn)LHC成功的很多貢獻(xiàn)者共同分享。這一決定得到稱贊——CERN的數(shù)百位物理學(xué)家在預(yù)定于日內(nèi)瓦時(shí)間上午9點(diǎn)開始的會議之前已經(jīng)等候幾個(gè)小時(shí)，他們露營排隊(duì)，在睡袋里熬了一夜，就是為了能占個(gè)好座位。
CERN的總干事羅爾夫?霍伊爾（RolfHeuer）介紹了會議議程。在兩個(gè)主要實(shí)驗(yàn)中從事LHC數(shù)據(jù)收集和分析的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組各做一個(gè)報(bào)告。第一個(gè)報(bào)告由美國物理學(xué)家喬?印坎德拉（JoeIncandela）代表CMS聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組來做，第二個(gè)報(bào)告由意大利物理學(xué)家法比奧拉?詹諾蒂（FabiolaGianotti）代表ATLAS聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組給出。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)有超過3000名物理學(xué)家參與，其中大部分人的工作是在散布世界各地的實(shí)驗(yàn)室的電腦上進(jìn)行的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程通過網(wǎng)絡(luò)直播，不僅傳往墨爾本，而且傳向全世界——任何一個(gè)關(guān)心這一實(shí)驗(yàn)的人都可以實(shí)時(shí)聽到結(jié)果。這種傳播方式正適合進(jìn)行這次現(xiàn)代大科學(xué)的慶�；顒印呖萍紘H合作與大賭注結(jié)合產(chǎn)生出令人振奮的回報(bào)。
詹諾蒂和印坎德拉在做報(bào)告時(shí)明顯顯得神情緊張，但結(jié)果的展示已說明一切。兩人對使實(shí)驗(yàn)成功的各位工程師和科學(xué)家表示衷心的感謝。然后，他們不約而同地將報(bào)告重點(diǎn)轉(zhuǎn)向說明為什么我們應(yīng)該相信他們目前的結(jié)果。他們解釋了各自的機(jī)器是如何工作的，數(shù)據(jù)的分析為什么是準(zhǔn)確和可靠的。在這一切精心的鋪墊完成之后，他們告訴我們他們已經(jīng)找到了要找的東西。
事實(shí)擺在那兒。幾張圖，在未經(jīng)物理學(xué)訓(xùn)練的人看來似乎并沒有太多區(qū)別，但它們都具有一致的特征：出現(xiàn)了比特定能量下所預(yù)期的事件數(shù)更多的事件（從一次碰撞中得到的粒子流的集合）。所有在場的物理學(xué)家立刻就知道這意味著什么：一個(gè)新粒子。LHC瞥見了大自然以前從未顯露過的一部分。印坎德拉和詹諾蒂經(jīng)過細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析，將真正的發(fā)現(xiàn)從紛繁的統(tǒng)計(jì)漲落中挑選出來，兩種實(shí)驗(yàn)情形下的結(jié)果毫不含糊地表明：結(jié)果是真實(shí)的。
掌聲。在日內(nèi)瓦、墨爾本和世界的其他地方。數(shù)據(jù)是如此精確和清晰，甚至連許多從事實(shí)驗(yàn)多年的行家們都對此感到吃驚。威爾士物理學(xué)家林恩?埃文斯（LynEvans），作為負(fù)責(zé)指導(dǎo)LHC走過崎嶇不平道路直至完成的第一人，在看到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)如此一致的結(jié)果時(shí)就承認(rèn)自己“大吃一驚”。
我自己那天就在歐洲核子研究中心，扮成一名記者待在主大廳隔壁的記者室。記者通常不對他們報(bào)道的新聞事件報(bào)以掌聲，但此時(shí)此刻，濟(jì)濟(jì)一堂的記者們讓情感壓倒性地爆發(fā)了出來。這不只是CERN或物理學(xué)的成功，這是整個(gè)人類的成功。
我們認(rèn)為我們知道我們所發(fā)現(xiàn)的東西：一種稱為“希格斯玻色子”的基本粒子（以最先提出存在這種性質(zhì)的粒子的蘇格蘭物理學(xué)家彼得?希格斯的名字命名）。83歲的希格斯本人正坐在研討會房間里，臉上寫滿了感動：“我從來沒有想過今生我會看到這種情況發(fā)生�！痹缭�1964年就提出過同樣想法的其他幾位資深物理學(xué)家也出席了會議。一種理論被命名的約定并不總是公平的，但在此刻，每個(gè)人都可以參與到慶祝活動中來。
那么什么是希格斯玻色子呢？它是自然界的一種新粒子。它的數(shù)量不是很多，但卻是非常特殊的一種。在現(xiàn)代粒子物理學(xué)里，已知的粒子有3種。有構(gòu)成物質(zhì)的粒子，像電子和夸克，它們構(gòu)成原子，原子又構(gòu)成我們所看到的一切；有傳遞力的粒子，它們傳遞引力、電磁力和核力，并使物質(zhì)粒子結(jié)合在一起；再有就是希格斯子，它單獨(dú)構(gòu)成一類。
希格斯子很重要，不只是因?yàn)樗鞘裁�，而且是因�(yàn)樗鍪裁�。希格斯子由彌漫于空間的場產(chǎn)生，這種場稱為希格斯場。宇宙中已知的一切東西在穿越空間時(shí)就會在希格斯場中運(yùn)動。希格斯場是永遠(yuǎn)存在的，只不過是潛伏在本底中，我們看不見它�？梢赃@么說：如果沒有希格斯子，電子和夸克就沒有質(zhì)量，變得像光子（傳播光的粒子）。它們本身將以光速運(yùn)動，這樣就不可能形成原子和分子，更談不上形成我們知道的各種生命形態(tài)。在普通物質(zhì)的形成機(jī)制中，希格斯場不是一種主動的角色，但它在本底中的存在至關(guān)重要。如果沒有它，世界將完全是另一副樣子�，F(xiàn)在，我們找到它了。
這里用詞需十分謹(jǐn)慎。我們實(shí)際上掌握的是非常類似于希格斯子的粒子的證據(jù)。它有正確的質(zhì)量，它基本上按我們預(yù)期的方式產(chǎn)生和衰變。但要說我們發(fā)現(xiàn)的肯定就是原始模型所預(yù)言的希格斯子還為時(shí)過早。這里面可能還有更復(fù)雜的東西，或者發(fā)現(xiàn)的只是精妙的相關(guān)粒子譜中的一個(gè)部分。但我們的確已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某種新粒子，它的表現(xiàn)就像我們認(rèn)定的希格斯玻色子。因此在本書中，我將2012年7月4日當(dāng)作宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的日子。如果大自然更微妙，那對我們每一個(gè)人來說就更好——物理學(xué)家就喜歡活在驚喜中。
人們非常希望希格斯子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著粒子物理學(xué)的新時(shí)代的開始。我們知道，物理學(xué)的內(nèi)容要比我們目前所了解的更豐富。對希格斯子的研究提供了一個(gè)觀察未知世界的新的窗口�，F(xiàn)在，像詹諾蒂和印坎德拉這樣的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家有了新的標(biāo)本可研究，而像休伊特這樣的理論物理學(xué)家則有了新的線索，可以建立起更好的模型。我們對宇宙的理解則邁出了期待已久的一大步。
這是一個(gè)關(guān)于一群將畢生奉獻(xiàn)給發(fā)現(xiàn)大自然最終本性的人的故事。希格斯本人就是一個(gè)完美的體現(xiàn)。這里有用筆和紙工作的理論家，他們喝著濃咖啡，和同事激烈地爭論，由此推動著在頭腦中形成抽象的概念；有工程師，他們想方設(shè)法讓機(jī)器和電子器件突破現(xiàn)有技術(shù)限制；最關(guān)鍵的當(dāng)然是實(shí)驗(yàn)者，他們將機(jī)器和理論家的想法結(jié)合起來去發(fā)現(xiàn)大自然的一些新的東西�，F(xiàn)代物理學(xué)的前沿研究涉及到耗資數(shù)十億美元的項(xiàng)目，需要幾十年才能完成，因此需要研究者具有非凡的奉獻(xiàn)精神，并愿意冒著高風(fēng)險(xiǎn)去尋找獨(dú)特的回報(bào)。當(dāng)這一切都得以實(shí)現(xiàn)之時(shí)，世界就變樣了。
生活真美好。請?jiān)賮硪槐銠墶?br/> |
