上帝粒子

拼音：shàng dì lì zǐ

上帝粒子就是希格斯玻色子(或称希格斯粒子、希格斯子,Higgs boson)是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。由英国物理学家希格斯(P.W.Higgs)提出，称为希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。也就是说如果没有这种粒子世界上的物质就会没有质量，某种意义上讲是犹如上帝一般的存在。

上帝粒子-简介

希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，有“上帝粒子”之称。“上帝粒子”是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前已成为整个粒子物理学界研究的中心，莱德曼更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”。

标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。

英国物理学家希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。

2008年9月10日开始运行的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称LHC)将有机会发现Higgs粒子。

上帝粒子

自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，直至如今，在一个多世纪的时间里，人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。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，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的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，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。但是也许会为我们揭示出一条全新的探索旅途。就让我们先来回顾一下上个世纪中期以来粒子物理学的发展历史，以及现在处于主流的标准模型理论。

上帝粒子-标准模型

粒子物理学在上个世纪50年代，经历了一个短暂的困难时期，按照诺贝尔奖得主，电弱统一理论提出者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”，几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答，从60年代开始，基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论，逐步构建完成了现代的标准模型理论。今天，标准模型早已成为粒子物理学的主流理论，它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。

欧洲核子中心大型强子对撞机示意图

标准模型包含费米子及玻色子两类——费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理(这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态)的粒子;玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子;负责传递弱核力的W及Z玻色子;负责传递强核力的8种胶子。

我们最初提到的希格斯子，也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。那么为何质量问题如此重要呢?要解答这个问题，必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中，杨-米尔理论无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。1964年，英国物理学家希格斯(Higgs)解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。

这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，将使整个标准模型失去效力。

上帝粒子-另外的一种模型

美国进行的一项新的原子撞击实验结果显示，所谓的“上帝粒子”实际上可能是5种截然不同的粒子。一些理论家认为希格斯玻色子并不单单指一种粒子，而是多种质量相似但所带电荷存在差万亿电子伏特加速器异的粒子。

费米实验室

美国伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的研究人员指出，他们发现了能够证明这种“多种粒子理论”的证据。有关“上帝粒子”的单一粒子理论就此面临挑战。

在费米实验室万亿电子伏粒子对撞机最近进行的一项名为“DZero”的实验中，科学家发现质子和反质子相撞更多地是产生物质粒子而不是反物质粒子。研究报告联合执笔人、费米实验室理论物理学家亚当·马丁表示，两者之间相差很少，不到1%，但无法利用假定只存在一种希格斯玻色子的标准模型加以解释。同时他认为这种影响实际上非常小，但如果将标准模型中所有最初原则考虑在内，这种影响仍远远超过科学家的想象。

标准模型假设只存在一种希格斯粒子，无法解释DZero实验的结果。如果科学家假定希格斯玻色子实际上是指5种粒子——也就是对标准模型进行扩展，形成双希格斯二重态模型——DZero实验的结果便可以解释。亚当·马丁表示，在对标准模型进行扩展时，加入了新的粒子和新的交互作用。新的交互作用对物质和反物质区别对待，因此能够促使实验中出现更大的影响。

上帝粒子-上帝粒子的最新消息

在上帝粒子的搜寻过程中，有两个地方不能不被提到一个是欧洲核子中心大型强子对撞机，另一个就是美国费米实验室的万亿电子伏特加速器，在这场传奇般的搜寻过程中这两家是强劲的竞争对手。

美国费米实验室

2010年7月14日，意大利帕多瓦大学物理学家托马索-多里戈近日在博客中透露，美国费米实验室万亿电子伏特加速器(Tevatron)或许已经发现了所谓的“上帝粒子”希格斯玻色子。

尽管这并不是第一次传出关于发现希格斯玻色子的传闻，但是这无疑是最令人感兴趣的一个消息。作为世界上第二大粒子加速器，费米实验室万亿电子伏特加速器如果能够战胜最大的竞争对手大型强子对撞机首先发现“上帝粒子”，哪怕可能性很小，都足以赚足人们的眼球。

多里戈在博客《量子日记生还者》中证实了该传闻，并声称消息来自两个独立的来源。“我从两个不同的，可能是独立的消息来源打听到，万亿电子伏特加速器的一次实验发现了希格斯玻色子微弱信号存在的证据。一个消息来源说是观察到了‘三倍标准差效应’;而另一个消息来源没有详细解释，却提及了实验得到了一个意外的结果。这一结果肯定来自万亿电子伏特加速器。目前，大型强子对撞机实验还没有足够的数据来证实这种难以捉摸的神秘粒子，而世界上其他物理学实验更没有足够的能量发现它。不过，我现在还不太清楚这一传闻究竟是来自费米实验室两个粒子探测器中的哪一个，可能是CDF探测器或是D0探测器。”

费米实验室万亿电子伏特加速器其中一个可能发现上帝粒子的地方

多年来，CDF探测器和D0探测器一直在搜集数据，并且已经缩小了希格斯玻色子出现时的可能能量和质量探测界限。据多里戈介绍，去年11月时两项实验共同发布了一个改进的希格斯玻色子界限。自此以后，研究人员已经搜集了更多的数据，多里戈估计数据已增加了50%。因此，科学家们进一步缩小了探测界限。2009年，费米实验室物理学家甚至预测到当年底有50%的可能发现希格斯玻色子。

在多里戈的博客中，所谓的“三倍标准差效应”是指一种关于结果确定性的统计数据，也就是说从统计学上讲该实验结果有99.7%的可能性是希格斯玻色子。一般说来，一个“三倍标准差效应”并不能够证明结果的确定性，而一个“五倍标准差效应”(正确的可能性达99.9999%)通常被认为确定性的程度已高到足以证明一个完全合理的新发现。不过，“三倍标准差效应”仍然意味着这是希格斯玻色子存在的一个强有力证据。

但是，7月15日，费米实验室的一位发言人声称，“关于希格斯玻色子已被发现的谣言，没有任何价值。”在星期二，费米实验室在其“推特”中发表声明：“让我们澄清一下：这是一个为了追逐名利的博客主人所散播的谣言。就是这么简单。”

费米实验室D0探测器实验发言人斯蒂凡-索尔德内尔-莱姆博德表示，“目前还没有关于标准模型希格斯玻色子信号的任何证据。我们还需要更多的数据。来自该博客的谣言并不正确，而且博客并不可当作是可靠的信息来源。”

上帝粒子-萍踪难觅

欧洲核子中心大型强子对撞机

然而希格斯粒子的真面目却始终无缘识荆，有过几次，人们似乎已经发现了希格斯粒子的踪影，然后它却似乎是故意在人们面前闪现一下影子，然后就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

2000年，位于瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)的工作人员通过世界上最大的正负电子对撞机LEP攫取了115GeV的希格斯粒子，但是他们当时的统计数据不足以做出任何确定的推论。

另一次在2003年，物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机，让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹，试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段，需要很长的时间来修复，因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。

然而人们似乎已经下定决心一定要找到这个神秘的粒子。2008年8月，靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机(LHC)。这架大型质子对撞机安放在位于地下175米深处，周长约为27公里的隧道中，计划造价约为80亿美元。计划实施时，将有来自34个国家150个研究实验室近2000名科学家参加。乐观的估计，将在2010年前后提供一个确切的答案。

于2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机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,预计将于2008年6月正式开始运行。届时，它将凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下，能够发现希格斯玻色子。

不过希格斯认为,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可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据。希格斯说，希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯玻色子的存在。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玻色子的存在，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”。

物理学家们怀着宗教般的虔诚，一直致力于理解物质的真正本质，完成对所有物理现象的统一理论，从而获得整个世界的终极知识。这个梦想就好像是圣经中所描述的建造巴别塔的过程。

相关著作

1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在其与和泰雷西合著的《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题?》的结尾充分流露出了物理学家们对终极前景的渴望，他这样写道：

大型强子对撞机(LHC)

“天空中出现了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下，也可能是在斯特拉文斯基的短笛独奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地变成了上帝的脸，微笑着，但带着极度甜蜜的悲伤表情。”

标准模型是这样一个被物理学家们寄予很高期望的，通往终极的理论，然而标准模型自身有两个很重要的缺陷：模型中包含了过多的参数，并且理论未能描述重力。而且正如本文一开始指出的，标准模型所预言的希格斯粒子却始终未能在实验中发现。莱德曼对希格斯粒子忧心忡忡，认为它是一个阻止我们获得终极知识的“大坏蛋”。

《一千零一夜》里有这样一个著名的故事：一只大鸟夺走了王子的戒指，王子去追逐这只大鸟，这只大鸟飞过一段距离后，就故意停下来等王子追近，每次王子感到马上就要赶上大鸟的时候，大鸟却一下子又振翅飞走了。好像终极知识就是可恶那只大鸟，每当我们觉得已经就要得到之时，他就一下子又走远了。一旦希格斯粒子被证实不存在，那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动，我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。

米兰·昆德拉说过一句古老的犹太谚语：“人类一思考，上帝就发笑”，能否获得终极也许不是最重要的。人类是思考的动物，探索的历程以及这一历程中的新发现才是我们人类生存的意义所在。

上帝粒子-轶事

霍金赌找不到上帝粒子

2008年，霍金接受英国广播公司(BBC)记者采访时表示，欧洲大型强子对撞机(LHC)不会帮助人类找到有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子，他愿意拿出100美元打赌。他认为，对撞机把能量增加到通常粒子研究所需能量的4倍。根据现有观点，这应当足以找到希格斯玻色子。当然如果找不到希格斯玻色子，会更加激动人心。那表明，存在某些错误，人们需要重新思考。质疑希格斯玻色子存在的同时，霍金说，对撞实验可能印证科学家先前提出的“超对称理论”和“弦理论”，而且“不管大型强子对撞机是否有所发现，结果都会告诉我们关于宇宙构造的许多知识”。