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“标准模型”与“希格斯粒子”:从空中楼阁到微观世界的理论基石

撰文 | 粲先生(公号Charm_and_Beauty)
 
2012年7月4日,在欧洲核子研究中心的主报告厅里举行了一场特别的报告会。
 
在这场报告会上,在欧洲大型强子对撞机LHC上运行的两个实验,分别宣布了他们的最新结果:他们同时发现了希格斯粒子。
 
半个多世纪以前预言了希格斯粒子彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀请到了这场报告会的现场。
 
报告会的过程中,彼得·希格斯被媒体拍到时时擦拭眼角。显然,这位时年83岁的老人有些激动。
被媒体拍到的正在擦拭眼角的彼得·希格斯
 
报告会上,两个实验的科学家们分别展示了他们最新分析到的数据,在公布最后的结果的时候,科学家激动地向上挥拳,接受听众们的欢呼,“终于,我们发现了它!”
为发现希格斯粒子而欢呼的科学家们
 
这是一个几乎全体粒子物理学家们期待了半个世纪的结果,几位德高望重的理论物理学家们几乎半个世纪前的研究成果终于被实验物理学家们所证实了。
 
为什么这个发现如此的令人激动?因为,在物理学最顶端的分支——粒子物理学几十年的发展过程中,逐渐成立了一整套理论框架,这个框架被称为粒子物理学的标准模型。而这个框架下最底层的粒子几乎都被发现了,希格斯粒子被认为是最后一个最底层的粒子,所以也被人称作是“标准模型的最后一块拼图”。
粒子物理的标准模型
 
现在,目前科学家们认知中的标准模型大厦的最后一层框架也被搭建了起来。这一套粒子物理标准模型的发展,凝聚了几代人近一个世纪的心血。
 
泡利的疑惑
 
如果我问你,这个世界上有多少种“力”?你可能会列举“重力,摩擦力,磁力,压力,浮力……好多好多!”但是如果要问一个现代的粒子物理学家,世界上有多少种“力”,你得到的答案一定是四种:强核力(强相互作用)、弱核力(弱相互作用)、电磁力和万有引力。那么普通人眼中的力的种类为什么和物理学家眼中的不一样呢?那是因为,除了重力来源于万有引力之外,几乎所有在生活中能感受得到的力本质上都来自于电磁相互作用力。
 
你可能会有疑问,那些不带电的物体产生的力为什么本质上也是来自电磁力呢?其实,像是摩擦力、压力等等看似没有电和磁参与的力,从微观层面来看,都是分子之间的相互作用,而分子之间是通过它们本身的电磁场互相影响彼此的,所以,这些宏观上不带电和磁的力,从本源上来讲其实还是电磁相互作用力。
 
那么,为什么我们看到的世界感受不到引力和电磁力之外的那两种力呢?强核力,弱核力,它们究竟是什么?其实,就像它们的名字所暗示的那样,强核力和弱核力的影响范围都特别短,都只能在原子核内部才能发挥作用,也都是实验物理学家们通过对放射性衰变的分析才被发现的。强核力就像是橡皮筋一样,拉住了因为带着同样的电荷而互相排斥的原子核内的粒子,而弱核力则是启动放射性衰变,以及恒星中氢聚变过程的一种力。
 
人类最熟悉的基本作用力是万有引力,这也是在宇宙尺度上维系星体运动的最直观的作用力。而由于上百年来电磁学以及电动力学理论的发展,特别是19世纪中叶英国物理学家麦克斯韦总结了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程——麦克斯韦方程组之后,人类已经对于宏观的电磁力以及它的传播子光子有了深刻的了解。在二十世纪二十年代,赫尔曼·外尔在试图统一广义相对论和电磁学的时候将麦克斯韦方程组所描绘的场在数学上总结为了规范场。
 
这里规范场是指的满足某种规范变换不变性的物质场。举一个例子:我们熟悉的地球引力。在地球附近的引力场中举起一个苹果,那么地球引力给苹果所带来的重力势能的大小会因为零点的选择的不同而不同,因此重力势能分布就不是一个规范场。但是不论重力势能的零点如何选取,在固定位置苹果所受的重力的大小是确定的,因此重力场才是规范场。类似地,电磁场也是规范场。
 
然而,不同于这类能够轻易观测到宏观效应的引力和电磁力,人类对于另外两种基本作用力的认知过程则艰难得多。因为对另外两种力的研究一开始都只能在放射性衰变这样的看不见摸不着的反应中才能进行。
 
在19世纪末放射性元素被发现之后,欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)和约瑟夫·汤姆孙(Joseph Thomson)通过在磁场中研究铀的放射线偏转,发现铀的放射线有带正电的、带负电的和不带电的三种。他们把这三种射线分别称为α射线、β射线和γ射线,相应地发出α射线和β射线的衰变过程也就被命名为α衰变和β衰变。
 
1930年的物理学界,人们在讨论一个严肃的问题,β衰变中能量、动量以及自旋角动量到底守不守恒,因为在那时实验上观测到的β衰变的能量谱线总是呈现出一种弥散的状态,无法给出一个确定的能量值。这个问题如此的深刻地触及到了基本守恒律,几乎动摇了千百年来的物理学基石。但是在那个年代,相对论、量子理论的发展已经将物理学家的世界观打碎了一次又一次了,人们已经开始在谨慎地考虑守恒律也被打破的可能性了。
 
但是时年仅三十岁的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)是守恒律的坚定信徒,他为了解释这个问题,提出了一个假设:他认为,在β衰变的过程中,除了实验中观测到的带电粒子射线之外,还有一束不带电的粒子射线。这类粒子如此之小又如此之孤僻,以至于当时的各种探测器都无法观测到它,这种粒子就是中微子(泡利最初将其称之为“中子”,但是在两年之后詹姆斯·查德维克(James Chadwick)发现了真正的中子之后,恩里科·费米(Enrico Fermi)和泡利重新将其命名为“中微子”)。这也是历史上第一次有弱核力参与的衰变过程的表达式被完整地写出。
 
几年之后的1935年,为了解释原子核内的质子和中子是如何被束缚在一起的,日本科学家汤川秀树提出了强核力的理论。
沃尔夫冈·泡利
 
在那之后的二十年,物理学界对强核力、弱核力进行了更加深入的研究。时间到了1953年,科学家们想要仿照麦克斯韦方程组,写出描述核子、介子以及它们的相互作用的方程。此时长期研究规范场的泡利首先取得了一些突破,他通过纯粹的数学工具严谨地推导出了一条能够统一描述电磁力场和核力场的非阿贝尔规范场方程。
 
上文中“阿贝尔”则是指这种规范场满足“阿贝尔群”的条件。尼尔斯·阿贝尔(Niels Abel)本是一位英年早逝的挪威天才数学家,在他仅仅26年的人生中,阿贝尔在多个数学领域都做出了杰出贡献,其中之一就是具有交换性质的一类群。为了纪念这位数学家,可交换的群也被称为了阿贝尔群。对于某类规范场的某种变换来说,如果连续作两次变换的结果与顺序无关,在数学上就叫阿贝尔的,否则就叫非阿贝尔的。举例子来说,我们熟知的加法,1+2+3=1+3+2,计算的结果和计算的顺序无关,所以加法就属于阿贝尔群。然而在三维空间内的旋转则会有不一样的结果,例如下图是华裔物理学家徐一鸿(Anthony Zee)在他的科普著作《Fearful Symmetry(可畏的对称)》一书中所举的例子,一个海军新兵按照军官的要求,先以竖直轴向右旋转90度后再以水平轴向右旋转90度所呈现的状态,与交换这两条命令的顺序后所呈现的状态不同,因此三维空间内的旋转就不属于阿贝尔群的操作。
一个关于非阿贝尔群的操作的例子
 
电磁力在数学上满足阿贝尔规范场的形式,而核力的相互作用则呈现了非阿贝尔规范场的形式。
 
此时的泡利已经53岁,知名于“泡利不相容原理”等理论、年少成名的他此刻已是载誉满身的大科学家,被学界称为“物理学的良心”和“上帝的鞭子”。虽然他写出的非阿贝尔规范场方程在数学上很美,但是他意识到这条方程在物理上还存在着致命的缺陷,那就是方程存在发散项,这意味着这条方程预示着规范场必须存在质量为零的传递相互作用的规范粒子来维系方程的关系。然而,质量为零的规范粒子就意味着它传递的相互作用力应该是长程力,应该在无限长的距离外都能接收到它的力的作用,这和现实中发现的短程力核力相矛盾。因此,泡利认识到他的理论“导致了一些相当不实际的阴影粒子”,所以治学严谨的他只是在几场报告会上谈论了这个理论,但是选择了不发表这项成果。
 
可是在这之后的第二年,一位三十出头的中国人和他的美国合作者也写下了一条类似的方程,他们希望这条方程能够描述强核力。不同于谨小慎微的泡利,这个年轻的中国人选择将他的研究结果快速地发表了出来,并且开始了学术圈内的宣传。
 
1954年,这位年轻的中国人在普林斯顿做了一场关于这条方程的学术报告,而这场报告的会场里大师云集,俨然是一场华山论剑。其中,这里面就坐着前一年写出过同样概念的方程的泡利。当年轻的中国人在黑板上写下了他的新发现之后,却被坐在台下的泡利打断道:“方程描述的这个场的质量是什么?”泡利的问题简单却深刻,却像是内力浑厚的一阳指直戳了这条理论的软肋:它无法描述现实中有质量的粒子,而这一点泡利自己再清楚不过了。泡利本希望能见证一场精彩的见招拆招,但是中国人只尴尬地回答道:“我不知道……”
 
质量!质量到底到哪里去了?这是泡利最关心的问题。没有解决粒子质量的来源问题,一切美好的方程都是纸上谈兵。不出意外,这个年轻的中国人写出的方程在发表之后当时并没有引起学界的重视,这条理论在那之后的一段时间都被束之高阁。
 
这个年轻的中国人就是杨振宁,这条由泡利最先写出,后来被杨振宁和他的合作者罗伯特·米尔斯(Robert Mills)重新发现的方程因杨振宁和米尔斯选择了发表而日后被一些人称作杨-米尔斯方程。
杨振宁和罗伯特·米尔斯
 
只是当时的泡利、杨振宁和米尔斯可能都没有料想到,多年以后,这条本有缺陷的方程所描述的规范对称性竟成为了标准模型的基石之一。
 
基本粒子的“元素周期表”
 
不同于泡利等人痴迷于研究物质间的相互作用,有另一批科学家此刻正沉迷于研究物质本身。
 
我们知道,这个世界上所有的宏观物体都是由无数的微小的叫做原子的粒子组成的。而原子则是由一个位于其中心极小的空间上的原子核和若干个在核外空旷的空间内绕核运动的电子组成。原子核内包含若干个紧密结合在一起的质子和中子,这些原子核内质子和中子不同的数目就决定了不同的原子有不同的物理性质。我们所熟悉的氧、碳、氢等等不同的原子就是靠它们原子核内质子的数量不同而表现出了不同的性质。
 
但是质子和中子就是组成物质的最小结构了吗?科学家们对此的认知逐渐随实验进展而产生了变化。在上个世纪五十年代,研究微观粒子实验的物理学家们发现,有少量的一些粒子表现非常奇怪,寿命比其他粒子长得多。
 
为了解释这些粒子的奇怪现象,在上个世纪六十年代初,以莫里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)为代表的粒子物理学家提出了夸克模型的概念,认为绝大多数粒子都只含有上夸克(up quark)和下夸克(down quark),而这些表现奇异的粒子的结构中则含有另一种与下夸克电荷一致的成分——“奇异夸克”(strange quark)。虽然这样一个包含三种夸克的夸克模型成功地描述了上个世纪六十年代所发现的几乎所有基本粒子的物理性质,然而这种带有分数电荷的假设无论如何在那个年代看来都有些许的疯狂。
夸克之父莫里·盖尔曼
 
或许是为了淡化这一疯狂设想的严肃性,盖尔曼选择了用一个模仿鸭子叫声的荒诞名称“夸克”来命名他设想的粒子。甚至,在他提出夸克理论之初,他自己也只对他设想的粒子的名字设想好了发音,都没有一个固定的拼写。
 
在同一个时代,著名的物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)为了理解基本粒子的行为和分类提出了另外一种模型,叫做“部分子模型”。夸克模型与部分子模型都可以解释一些粒子分类上的问题,所以直到在这之后的上个世纪六十年代末,粒子物理学界都还没有完全接纳夸克模型, 连夸克模型的提出者盖尔曼都一直保持着谨慎小心的态度,表示夸克模型只是一个数学模型,并试图模糊化处理夸克是否真实存在的话题。甚至在斯坦福直线加速器中心(SLAC)在1968年发现质子内确实存在更深层次的次级结构时,科学家们仍然更愿意相信被发现的次级结构是部分子而非夸克。
理查德·费曼
 
那么事情是如何出现转机的呢?夸克模型究竟是如何成为了粒子物理学家们的共识的呢?
 
在盖尔曼提出夸克模型后不久,谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow)和詹姆斯·比约肯(James Bjorken)在盖尔曼的包含三种夸克的模型之上提出了第四种夸克存在的假设,格拉肖和比约肯把这个他们构想中的第四种夸克命名为“charm”。charm这个词有“魔力,魅力,吸引力”的意思,格拉肖认为charm夸克的魅力可以让夸克模型更加的完善。
詹姆斯·比约肯
谢尔顿·格拉肖
 
我国著名的物理学家,曾教授过李政道、杨振宁等人的王竹溪先生把这类夸克的中文名翻译为“粲夸克”,“粲”这个字的意思有“美,鲜明”的意思,既和英文charm的发音相似,又表达了类似于英文原词的含义。而在如中国台湾地区等中文圈的其他地区,charm夸克则被更直白地翻译成了“魅夸克”。
 
格拉肖和比约肯似乎是对数学上对称美的极致追求者,他们认为在盖尔曼等人的模型中既然有一个与下夸克类似的奇异夸克,那么就应该会有另一个和上夸克类似的夸克,不但如此,新的夸克的加入还能使得自然界最基本的相互作用之一的弱相互作用得到更好的描述。然而,他们的猜测在当时并未受到重视。
 
真正使得粲夸克的假设被更多的人重视起来的是1970年由格拉肖、约翰·李尔普罗斯(John Iliopoulos)和卢奇亚诺·梅安尼(Luciano Maiani)一起撰写的一篇论文,在这篇论文里他们一起提出更多粲夸克存在的依据。这篇论文中的理论观点后来就被以他们三人的姓的首字母来命名,被称为GIM机制。格拉肖对于粲夸克理论非常有信心,他甚至在一场于1974年举办的国际会议里立下flag,如果在两年内找不到粲夸克,他就会把他的帽子吃掉!
约翰·李尔普罗斯
卢奇亚诺·梅安尼
 
事情果然没有让格拉肖失望。就在他立下吃帽子赌局之后不久,几个实验团队就发现了一些有趣的新结果。1974年9月,位于美国布鲁克海文国家实验室的丁肇中实验团队利用将高能量质子朝着铍标靶射击,并从碰撞产物中,寻找正负电子对的方法,发现了一个奇特的信号:他们发现,总能量为31亿电子伏特的正负电子对出现频率非常多,这意味着一种带有31亿电子伏特的质量的新粒子被大规模地产生了出来。在粒子物理学家看来,质量与能量是等价的,而31亿电子伏特的能量相当于一个电子在31亿伏特的电压下所获得的能量。丁肇中的学术声誉非常好,做实验非常小心谨慎,他不愿意冒进发表任何可能有错误的结果。由于在粒子物理实验中,经常会有因仪器原因导致的干扰信号,在尚不能确定这实验结果不是某种错误电子信号之前,丁肇中团队都在秘密地分析核对他们的实验数据。
 
与此同时,在美国斯坦福直线加速器中心 ,伯顿·里克特(Burton Richter)的实验团队设计与建成了一种新型对撞机——斯坦福正负电子非对称环(SPEAR),在这台对撞机里,电子与正电子以相反方向转动与碰撞。1974年11月10日,他们在31.05亿电子伏特的能量上也找到很多粒子被产生出来的事件,同样,这意味着一种新粒子存在的迹象,他们将这个新粒子命名为“ψ介子”。里克特迫不及待地想要将这项成果公诸于世,于是他们决定,在第二天发布这个消息。
伯顿·里克特和丁肇中
 
无巧不成书,11月10日,就在里克特的实验团队发现他们新结果的当天,本来远在美国东海岸的丁肇中恰巧到了美国西海岸的斯坦福直线加速器中心开会。在这里,丁肇中得知里克特实验团队发现新粒子的消息后,发现里克特团队发现的新粒子与自己团队发现的新粒子的质量如此接近,他不得不怀疑两个团队是不是发现了同一种粒子。于是丁肇中决定不再犹豫,立刻也要将自己团队的发现公诸于世,并且将他们发现的粒子命名为“J介子”。
 
11月11日早上8点钟,丁肇中与里克特在SLAC实验室主任办公室会面。双方对对方团队的新发现都表示了祝贺。经过一番沟通后,他们才确定了他们发现的新粒子果然是同样一种粒子。于是,他们立刻将他们的实验结果分别公之于众,并写成两份报告,同时发表在了《物理评论快报》的12月份期刊。因为两个团队分别独立发现并命名了新粒子,为了使得两人的贡献都得到认可,学界将这个粒子命名为J/ψ粒子,这也是基本粒子家族中唯一一个由两个字母名字组成的粒子名字。
 
J/ψ粒子的性质不同于以往发现的任何粒子,以至于只有格拉肖和比约肯在夸克模型下预言的粲夸克才能合理地解释J/ψ粒子的存在。事实上,J/ψ粒子是由一个粲夸克与一个反粲夸克共同组成。J/ψ粒子的发现在粒子物理学界里引起一场不大不小的革命,后来被称为“十一月革命”,因为它意味着夸克模型理论并不是纸上空谈,由于粲夸克的发现,强子被证实是由夸克组成。
 
然而这并不是夸克发现故事的结束。在丁肇中与里克特忙于加速器和对撞机实验的时候,另一批科学家在另外的领域的研究表明,夸克的数量比格拉肖和比约肯相信的还要多。
 
早在1956年,为了解释两种质量和寿命相同,看起来像是同一种的粒子的θ+粒子和τ+粒子(后来被证实其实就是同一种粒子,现在叫做K+介子),却有着不同的宇称量子数和不同的衰变产物,李政道和杨振宁提出,在弱相互作用中,微观的粒子的行为可能不存在宇称量子数的守恒。宇称的守恒对应的对称性是“左”和“右”的对称,李政道和杨振宁的推测也就是说在微观世界中,“左”和“右”的物理规律并不完全相等同。
李政道
 
这个推测在当时的年代颇具震撼力,打破了被千百年来人类视为金科玉律的观念。第二年,华裔科学家吴健雄女士等科学家在对钴60(60Co)衰变的观测中证实了这项推测,她利用两套装置中互为镜像的钴60设计了一个实验,一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,结果发现在极低温的情况下两套装置中放射出来的电子数有很大差异,进而证实了李政道和杨振宁的假说。同年,李政道和杨振宁因为这一项划时代的假说,获得了当年的诺贝尔物理学奖。
吴健雄
 
在弱相互作用下的宇称的对称性破缺被发现后不久,物理学家发现在弱相互作用下,电荷共轭的对称性也是破缺的。此时,列夫·朗道(Lev Landau)以及李政道和杨振宁认为,电荷-宇称(C-P)两个量子数的联合,应该保持着良好的对称性。电荷-宇称对称性的守恒可以使得粒子和反粒子遵循着相同的物理规律。
列夫·朗道
 
而在1964年,科学家们在含有奇异夸克的介子衰变中,发现了另一个更加“奇异”更加难以让人接受的事实:电荷-宇称联合的对称性似乎也不守恒。在电中性K介子的衰变中,詹姆斯·克罗宁(Jim Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)发现,本应衰变成三个π介子的长寿命K介子,却有一些衰变成了两个π介子。这种衰变模式是电荷-宇称对称性的守恒所不允许的。克罗宁和菲奇的研究结果再一次给理论界带来了巨大的冲击,也为他们带来了1980年的诺贝尔物理学奖。
瓦尔·菲奇(左)和詹姆斯·克罗宁(右)
 
为了解释电荷-宇称对称性的破缺,1973年,在意大利物理学家尼古拉·卡比博(Nicola Cabibbo)的研究的基础上,日本科学家小林诚和益川敏英建立了卡比博-小林-益川矩阵,给出了电荷-宇称对称性的破缺存在的必要条件,并在当时只发现了三个夸克的情况下预言了六个夸克的存在。之后,底夸克与顶夸克分别于1977年和1995年在粒子加速器中被发现。至此,夸克的六种“味道”被全部发现,夸克模型被完整呈现。日后夸克模型也成为了标准模型的基石之一。
小林诚(左)和益川敏英(右)
 
质量,质量!
 
一枚曲别针的质量大约是1克,三听可乐的质量大约是1千克。生活中所见的物体都有质量,这似乎是再寻常不过的事情了。但是对于粒子物理学家来说,这似乎并不是必然的。
 
没有质量的传递力的粒子可以以光速传播到无限远,而作用距离不是无限远的力就说明它的传播粒子有质量。
 
设想一个由无限多个海军新兵参加的军训中进行转向练习的场面。这一次的教官不像前文中的那个让新兵三维旋转的教官那样恶趣味,新教官不会要求新兵做沿水平轴旋转的动作,但是新教官的嗓子有时候不太好。在转向练习开始之前,所有的军训新兵都按照既定的格子列队站好,面向主席台。此时假如我们的视角向左或向右平移一个格,我们会发现平移后的队列以及所有人的朝向和平移之前完全一样。此时这个平移操作就是这个例子中的“规范”,而平移前后状态相同则是这个例子中的“规范的对称性”。
 
假如主席台上的教官此时大喊了一声“向左转”,那么在这个队列中所有的新兵都会同时转向。所有的新兵都能主动地完成教官要求的动作,不需要和其他新兵交流。此时这个军训阵列就好比是质量为零的规范粒子。
 
假如主席台上的教官喊了转向的口号,但是教官的扩音器突然发出电流声,以至于阵列中所有新兵都听到了教官下达了一条转向指令,但是没有人听清教官到底是要新兵们向左转还是向右转。这时如果新兵们都是谨小慎微的,他们就会悄悄地观察自己的左右,看临近的其他新兵向哪个方向转向。此刻假如所有的新兵都还没有转向,那么所有的新兵其实此刻的内心都是蠢蠢欲动,做好了随时做动作的准备的。这时的系统就达到了一种不稳定平衡,此时一旦有一个新兵咬咬牙,决定了随便往一个方向转向,比如说,他决定左转,那么一旦他向左转身,从他周围的新兵开始,阵列中的所有人都会依次左转,整个系统就会立刻地将左转的状态传递到无限远并且变成一个新的稳定的状态,而这个稳定状态依然有着新的规范对称性。这时这个军训阵列就好比是质量为零的规范粒子激发了一个场,传递了一个作用范围无限长的作用力。
 
但是,假如阵列中的所有新兵突然都变得非常有主见,一旦听不清转向口号都会自己决定向左转还是向右转,那么整个阵列就会陷入一种混乱,向左向右转向的新兵都有,任何一种转向状态都无法长距离地传递到远方,并且转向后只能与阵列中最邻近的新兵发生相互作用(相邻新兵转向后发现两人呈现了面对面的状态,一定会面露尴尬), 这就好比是规范粒子只能传递短距离的作用力。这时,整个阵列的规范对称性就被自发性地被破坏掉了,而传递状态的“粒子”也因无法进行长距离传播而改变了自己的性质,物理上讲,就是获得了质量。
 
然而这个阵列由“秩序”变到“混乱”之后,每个新兵的内心都得到安宁了吗?并不会。每个人很快就会发现周围的混乱,他们的内心也会是波动的,说不定也会在现有的位置做微小的晃动。这就像是一个小球从墨西哥帽形状的中间顶峰向下滑落,但是最终并没有停在帽檐上的最低点,而是在在最低点附近做微小振动。这种振动本身说明在此处还有一个新的场,而这个场,就是传说中的“希格斯场”,激发这种场的粒子,也就是那些新兵的“主见”,就是“希格斯粒子”。
描述对称性自发破缺的概念图
 
在前文中泡利、杨振宁、米尔斯等人的眼中,这些海军新兵都应该是谨小慎微的,都会自觉地维护着系统的对称性。因此,他们的传播子应该都没有质量。但是核力传播距离有限的事实又表明,这些传播子确实是有质量的。许多年来,这种矛盾一直困惑着粒子物理学界。
 
直到1964年,有三篇文章却指出,这些新兵或许都非常的有“主见”,会使得对称性自发破缺,从而创造出“质量”来,进而从机制上解决前文的矛盾。这一机制就是希格斯机制。
 
有趣的是,为这种机制冠名的物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)并不是唯一和最早发现这种机制的。1964年8月,弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和罗伯特·布绕特(Robert Brout)首先发表了一篇关于这种机制的文章,紧接着,彼得·希格斯在10月份,杰拉德·古拉尼(Gerald Guralnik)、卡尔·哈庚(Carl Hagen)和汤姆·基博尔(Tom Kibble)在11月份也分别独立发表了类似的机制,因此,这种机制也最早被人称作“恩格勒-布绕特-希格斯-古拉尼-哈庚-基博尔机制”。然而由于历史上的机缘巧合,希格斯成为了这些天才大脑中最幸运的人,如今这种机制被更多的人称作希格斯机制。
希格斯机制的提出者彼得·希格斯
希格斯机制的提出者(从左至右):汤姆·基博尔、杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚、弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特
 
希格斯机制解决了质量起源问题,但同时也带来了新的问题,那就是,有希格斯场的存在,那就应该有希格斯粒子的存在。
 
关于希格斯粒子,历史上还曾有过另一个精彩的描述。
 
在1993年,为弄清在欧洲核子研究中心大家都在尽力寻找的希格斯粒子到底是什么东西,英国的科学大臣威廉·瓦德格雷夫(William Waldegrave)曾发起过一项挑战,就是给他讲清楚希格斯机制是怎么回事,而奖品是一瓶上好的香槟。瓦德格雷夫本人并没有粒子物理学基础,所以高深的公式他并不懂,因此,想要赢得挑战就必须要讲好一个形象的故事。最终,伦敦大学学院的粒子物理学家大卫·米勒(David J Miller)想出来一个描述并最终赢得了这瓶香槟。
 
米勒描述了这样一种情况:假如在一个鸡尾酒会上,大家都在自由地交谈。此时的所有人就是分布在空间的希格斯场。这时一个无名小辈走入了酒会,那么没有人会注意到他,他可以自由地在酒会上穿梭,并且可以随意地改变行动方向。这时,这位无名小辈在酒会上的运动就像是一个无质量的粒子。
 
但是假如此时一位名人(比如撒切尔夫人或者爱因斯坦)走入了房间,那么酒会上的人就会迅速地注意到这位名人,并围上来。这时的撒切尔夫人或者爱因斯坦就只能缓慢地移动,并且难以改变方向。这时这位名人的运动状态,就像一个有质量的粒子。
利用鸡尾酒会场景描述有质量的粒子
 
但是,假如这时候没有人进入房间,只是门口有个人悄悄地讲了一个传闻,听到这个传闻的人都会非常主动地把这个传闻讲给屋里其他的人听,这时屋里就会聚集起一小团听传闻的人群。当一个人讲完这条传闻之后,听到传闻的人总有一个会把这条传闻继续传播下去。这样,虽然每个人听完传闻之后就回到了自由交谈的状态,但是这条传闻会随着一小团变动的人群继续移动下去。就像是聚集的人群能给撒切尔夫人或者爱因斯坦赋予质量一样,这一小团聚集的人群也给自身赋予了质量。这时,这一小团聚集的人群就是一个希格斯粒子。
利用鸡尾酒会场景描述希格斯粒子
 
希格斯粒子像是一把钥匙,可以将杨-米尔斯方程中被盒子紧锁着的质量释放出来。
 
希格斯粒子和希格斯机制,如同杨-米尔斯方程,以及夸克模型一样,成为了粒子物理标准模型的第三块基石。然而这块基石在它提出之后的将近半个世纪都一直没有稳固。因为,半个世纪内,几代科学家们的努力都没有找到这把钥匙。
 
错失良机的SSC
 
在标准模型三大基石集齐之后,格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)、以及史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)等人在统一电磁力和弱核力的尝试中,逐渐地将这三大基石融合,画出了标准模型的基本蓝图。
阿卜杜勒·萨拉姆
史蒂文·温伯格
 
标准模型成为了能够描述基本微观粒子以及他们之间电磁力、强核力、弱核力这些相互作用的基本假设。
 
然而,不管理论有多美,一个未经完整证实的标准模型依然只是一个空中楼阁。只有被实验验证过的理论才是真理。
 
此时,标准模型的蓝图虽然在手,要想按图索骥,证明它,粒子物理学家们还需要工具。
 
工欲善其事,必先利其器。
 
想要寻找这些粒子,粒子物理学家最趁手的工具就是对撞机。
一个在安装中的对撞机(CMS)
 
对撞机是一类研究粒子物理学的科学家们使用的科研仪器,是可以将人类认知深入到小于原子尺度的微观世界的超级显微镜。
 
对撞机会将电子、质子或者重离子等微观粒子进行加速,使他们以接近光速的速度在管道内运行,随后两束粒子在探测器内以极高的能量进行聚焦和对撞。相向而来的两个粒子在对撞的瞬间经历了极其复杂的物理过程,产生大量的携带了高能量的新粒子。随后这些新粒子会向四周的空间喷射,并被围绕在对撞点的探测器所接收到。
 
物理学家则可以通过研究被探测器探测到的对撞产物,来反推分析出对撞时的物理过程。
 
由于粒子物理学所研究的对象如此之小,所需要的能量如此之高,科学家们只能通过建造大型的加速仪器来获得研究所需的高能量。
 
在上个世纪的六七十年代,科学家们在法国、美国、苏联、联邦德国等国家的一些实力雄厚的大学或研究所先后建造了十几个对撞机。这些对撞机大小相差巨大,从周长几米到周长两公里,分别覆盖了许多不同的能量区间,可以分别研究不同的特定课题。在那个年代,由于科学家们开始掌握了对撞机这一研究利器,粒子物理学呈现出了一轮爆发式的发展。前文提到的粲夸克等都是通过对撞机而发现的。
 
随着研究的深入和进展,能量较低的区间的课题已不能满足理论发展的需求,科学家们开始需要越来越高能量的对撞机来开展科学研究。中型和小型的对撞机逐渐离开科学家们关心的焦点,只有个别在特定能量区间上运行的对撞机因一些特殊需求被保留至今。
 
而建造越大的对撞机自然花费通常会越高,大型对撞机的建设再也不是一所实力雄厚的大学或研究所就能够独立完成的了。在这种不断发展的过程中,在不同机构工作的粒子物理学家们逐渐开始联合,逐渐开始展开了全球范围内的科学合作。
 
在上个世纪七十年代末,欧洲核子研究中心的物理学家们就开始考虑长期的物理学发展的战略了。建造一个周长长达27公里的“大型正负电子对撞机”LEP的计划慢慢地开始浮出了水面。经过几年的设计和论证,在1981年的5月22日,欧洲核子研究中心最终批准了这个宏大项目。经过从1983年到1988年的施工与安装,大型正负电子对撞机LEP终于在1989年正式启动,27公里的周长也让它成为了当时人类历史上最大的科学研究仪器。
 
然而,1989年在欧洲启动的LEP,并不是当年能量最高的对撞机,因为在1986年起,对撞机能量最高的桂冠一直都高挂在美国的一台对撞机头上。1986年年底,在美国的费米国家实验室,一个周长6.3公里的正负质子对撞机“万亿电子伏特加速器”Tevatron正式开始以史无前例的对撞能量运行了起来,Tevatron所创造的能量记录维持了二十多年,一直到2010年后才被欧洲核子研究中心打破。
在空中俯瞰美国费米实验室以及万亿电子伏特加速器Tevatron所在的位置。远处稍大的环形水渠下面就安置着Tevatron
 
而比Tevatron晚三年开始运行、并且有着最大体积记录的对撞机LEP的最高对撞能量反而只有Tevatron的大约二十分之一。为什么更大、更新的对撞机LEP会能量低于Tevatron呢?
 
这是因为,虽然同样被叫做对撞机,LEP和Tevatron却分属于两类不同的科学研究仪器,他们分别是正负电子对撞机和强子对撞机。
 
正如他们的名字所描述的那样,正负电子对撞机中进行对撞的粒子是正负电子,而强子对撞机中进行对撞的粒子可以是质子,也可以是重离子。
 
电子是一种不可再分的基本粒子。这种粒子带有电荷,而体积则被认为是趋近于零。电子在对撞中能够参与的物理过程非常的简单,对撞产物非常干净,非常适合用它进行精确测量的实验,因而电子对撞机通常也被称作为“粒子工厂”,因为它能够像工厂一样稳定地生产产品。然而电子有一个令实验物理学家非常无奈的特性,就是电子在转弯的时候会辐射出大量的能量,从而使得电子本身自带的能量降低。并且,电子转弯越剧烈,辐射出的能量就会越大。所以,电子对撞机通常会做成大半径的环,或者直接只在一段直线内加速电子。位于美国的“斯坦福直线加速器对撞机”SLAC就是一个将电子在直线内加速然后完成对撞的实验仪器。直线加速器的缺点是,电子束不能被重复利用,对撞一次后就会浪费掉所有的被加速的电子,而环型对撞机可以使得被加速的粒子一次又一次地重复被利用,从而节约粒子和能量。正负电子对撞机因其半径大、能量较低,并不需要强磁场将粒子束缚,所以工艺相对简单。除了前面提到的LEP和SLAC,其他著名的正负电子对撞机还包括中国的“北京正负电子对撞机”BEPC和日本的高能加速器研究机构研究含有底夸克(b)的粒子的对撞机KEKB/SuperKEKB。
在空中俯瞰美国斯坦福直线加速器对撞机SLAC所在的位置
 
强子对撞机中进行对撞的粒子最通常的是质子。质子在粒子物理学中不是基本粒子。质子中包含三个夸克和一些将夸克连接起来的胶子。夸克和胶子在对撞中会参与复杂物理过程,对撞产物也会非常复杂和多样,无法像正负电子对撞机粒子工厂那样有稳定的产出。但是,由于质子的质量远大于电子,在转弯时只会辐射出较少的能量,所以质子能够在加速器中获得比电子高得多的能量。强子对撞机适合“开疆拓土”,用极高的能量去探索能量前沿的问题。利用强子对撞机研究物理问题,就是一个“大力出奇迹”的过程。而极高的能量则意味着强子对撞机必须使用高强度的磁场,因而需要大量超导材料,制作工艺远比正负电子对撞机复杂。强子对撞机不擅长做非常精确的测量,但是适合用来探索新的物理现象。强子对撞机除了使用质子对撞之外,还有一种常见的对撞模式,就是利用重离子进行对撞。重离子是指自然界中的重的元素被剥离掉电子后的原子核,常见的在对撞中使用的重离子元素有铅、金或重惰性气体。利用重离子,则可以再把强子对撞机的对撞能量轻易地推进百倍。重离子对撞机的对撞能量如此之高,以至于有些人断言,在重离子对撞的时候,甚至可以产生许多微型黑洞。当然,这些微型黑洞很快就会被蒸发掉,并不会毁灭地球。
在LHC上一个重离子对撞事件的重建。有些科学家认为在对撞的一瞬间甚至可以产生微型黑洞。
 
前文中的LEP和Tevatron都在标准模型的验证过程中发挥了巨大的作用,它们的物理目标之一都包含了对希格斯粒子的寻找。特别是在进入新世纪前后,标准模型中的基本粒子就只剩下希格斯粒子还未曾被发现。
 
然而,在分别经过了多年的运行之后,虽然LEP和Tevatron在别的领域都取得了令人瞩目的成果,他们却分别都在希格斯粒子的寻找道路上折戟沉沙。尽管已有越来越多的人相信了标准模型,但是希格斯粒子的缺席使得标准模型仍然还是空中楼阁。
 
事情在上个世纪八十年代的美国曾有过一线转机。
 
早在1983年7月,甚至在Tevatron开始运行之前,美国能源部就在一次高能物理咨询委员会上决定要建造一个全世界最大的粒子加速器。最初的设计团队由康奈尔大学的粒子物理学家莫里·泰格纳(Maury Tigner)领导。1985年左右,设计团队完成了雄心勃勃的最初设计方案,在这一个最初的方案中,有三个团队分别设计的磁场都被考虑了进去。
 
三个磁场的强度分别是3特斯拉、5特斯拉和6.5特斯拉,而这三种磁场所对应的对撞机的周长分别是164公里、114公里和90公里。
 
在1987年,在Tevatron刚刚开始运行的一年之后,在时任美国总统罗纳德·里根的大力支持下,雄心勃勃的“超导超级对撞机”SSC的设计得到了美国国会的批准。在被他们批准的设计中,磁场的强度被更换成了6.6特斯拉,对撞机周长也变成了82.944公里,而对撞能量更是超过Tevatron 20倍。这台巨大的对撞机被国会批准在得克萨斯州建造。
超导超级对撞机SSC的设计建造地点以及为安置SSC所挖掘的、终被弃用了的坑道
 
但是SSC的设计和改进的工作并没有停止,甚至在1987年美国国会批准之后仍然在进行大量的改进和变动。
 
泰格纳在SSC概念提出的初期领导了SSC的设计,在SSC被正式立项之后,出乎很多人的意料,泰格纳并没有被任命为SSC的主任,而哈佛大学的罗伊·施威特斯(Roy Schwitters)被美国能源部指派成为了SSC的主任。
 
在施威特斯上任之后,SSC的设计团队经历了大换水。新的设计团队在研究了泰格纳领导的设计之后,发现当束流能量超过15万亿电子伏特的时候,粒子在经过原先设计的4厘米粒子通道孔径的时候会变得不稳定,很难达到20万亿电子伏特+20万亿电子伏特的最初设计目标。
 
这时,其实摆在施威特斯团队面前还有两个选项。一个是降低对撞机目标的能量,接受不能超过15万亿电子伏特的现实。另一个选项就是推翻了原有的设计,另起炉灶。
 
有野心的施威特斯显然没有与现实妥协的习惯,他选择了后者,带领团队重新设计出来了直径5厘米的粒子通道孔径以及配套的所有设备。然而,对撞机这种精密仪器的设计可以说是真正的牵一发而动全身。新的设计使得整个SSC的项目进展推迟了两年,并且新设计的项目总预算也达到了原设计方案的两倍以上。
 
此时的世界格局风云变幻,经历了东欧剧变和苏联解体,美国实质上已经赢得了冷战。外部竞争压力的突然释放客观上使得美国降低了对基础科学研究投入的迫切感。
 
SSC的计划如此的宏大,以至于一旦付诸行动,就必然会带动起一座科学城,进而大幅度地带动当地的经济。在经济利益的驱动之下,得克萨斯州的议员并没有放弃SSC。但是其他州的那些批准建造SSC的议员们在SSC落地得克萨斯州之后,因为SSC并不能给本州带来经济效益,他们对SSC的态度却开始暧昧了起来。再加上此时恰逢民主党总统克林顿上台,对于新的国会议员来说,NASA提出的国际空间站计划似乎更吸引议员们的眼球。
 
于是,命途多舛的SSC在开工建设之前经历了临阵换帅后推倒原设计方案、新方案大幅增加预算、政党轮换中支持对撞机的共和党总统下台、冷战和美苏争霸结束等内部外部压力下,终于在1993年的10月21日被美国国会正式宣告了死亡。
 
按照SSC的设计,它的能力应该如此之强大,以至于在三十多年以后的今天,世界上仍然没有可以与之匹敌的对撞机。假如它没有经历那些波折,他几乎必然是希格斯粒子的最佳猎手。
 
然而,历史容不得假设。正因为SSC的死亡,美国几乎是拱手让出了粒子物理学研究领域的领先地位。
 
欧洲的钢铁巨兽
 
在上个世纪八十年代,谁能想到,在对待科学的态度上,四分五裂的欧洲竟然比统一的美国更加团结。
 
早在1984年,也就是欧洲核子中心的LEP正式开始运行的五年之前,在LEP尚在建设中的时候,欧洲的科学家们就在考虑在LEP退役之后未来的事情了。在1984年的一次讨论会上,科学家提出了第一个利用LEP退役后的管道建造新的“大型强子对撞机”LHC的提议。
 
然而这个提议在很长的一段时间内都没有形成完整的提案并得到批准,原因一是此时LEP还在建设阶段,距离它退役还为时尚早,二是在1987年,SSC获得了美国国会的批准。SSC的存在使得欧洲的计划失去了竞争优势,也让LHC是否有必要再被建造画上了一个问号。
 
然而在1993年SSC被宣告死亡之后,失去了美国的SSC的竞争,欧洲的LHC成为当年世界上唯一一个能够有望解决包括寻找希格斯粒子等粒子物理学问题的对撞机。于是,在1994年,LHC的建设计划正式被欧洲核子研究中心批准。
 
2000年,LEP正式结束了它十多年的数据获取运行过程,并于2001年开始被完全拆除。而LEP所留下的位于地下一百米深的长达27公里的管道则被重新利用,用于安置LHC。2008年,LHC以及LHC上的实验被完全安置妥当。
在空中俯瞰大型强子对撞机LHC所在的位置以及LHC上的四个主要的实验
 
LHC除了本身占据的一条27公里长的管道,还有几个逐级加速的加速器环,更为复杂的结构使得它刷新了人类历史上所建造的最大规模的科学研究仪器的记录,成为了一个极具科幻色彩的庞然巨物。LHC不但大,而且设计对撞能量也达到了惊人的14万亿电子伏特,相当于每一个质子都在几万亿伏的电压下被加速,远超了它的前辈LEP和美国的竞争者Tevatron。粒子在加速器内获得的能量能达到自身质量的近万倍,在加速器内奔流的速度仅比真空中的光速每秒慢3米。粒子们在加速器管道内如狂怒的奔兽一般,将在对撞点遇到的其他粒子撕得粉碎,而科学家们,则得以借此窥探粒子内部的奥秘。
大型强子对撞机LHC的加速器管道
 
然而LHC却是台难以被驯服的野兽机器,它的启动阶段充满了波折。2008年,LHC上超导高电流通过一段焊接不良的连接线时产生的电弧打穿了冷却设备的液态氦储存槽,冷却超导磁铁用的液态氦发生了严重的泄漏,高达6吨液态氦泄漏到隧道中,泄漏量达到液氮总量的约1/3。这使得整个27公里长的LHC不得不花一年时间进行维修和再度重启。
 
在经历了一段艰难的启动阶段之后,LHC还是于2010年正式开始了物理数据的获取过程,而它也轻易地摘得了人类在地球上创造的最高能量的记录。
 
并且仅仅就在两年之后的2012年,它就发现了希格斯粒子。7月4日,在欧洲核子中心的主报告厅,发生了文章最开头的那一幕。
LHC上的两个实验“紧凑缪子线圈”CMS和“超环面仪器”ATLAS上捕捉到的两个希格斯粒子衰变到双光子的事件的重建
 
此时,标准模型的大厦终于不再是空中楼阁,它所预测的所有基本粒子都已被找出。此刻距希格斯机制的提出,已经经过了48年。
 
在2012年7月4日的欧洲核子研究中心报告厅里,大厅前排坐满了为标准模型的建立做出过贡献的科学家们。他们也曾年轻气盛,他们也曾锋芒毕露,但到了这一天,他们全都已是垂垂老者。他们为了这一天,等待得太久了。
 
而这一刻,也宣示着,欧洲开始了对撞机粒子物理学领域的绝对霸权。
 
本文经授权节选编辑自微信公众号“粲美集”《杨振宁的最后一个“对手”——希格斯物理的漫长过去与未来》一文。



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