下一代高能对撞机扑捉"上帝粒子"发现宇宙十亿年后毁灭

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下一代高能对撞机设计曝光 或终捕获"上帝粒子"



欧洲核子研究中心12日在日内瓦发布公报称，下一代高能对撞机——国际直线对撞机的最新设计报告问世，这种新一代粒子对撞机一经建成，将与该研究中心现有的大型强子对撞机一起解开很多未解的宇宙科学之谜。
　　国际直线对撞机项目由全球设计工作组组织实施。该工作组由来自全球20余个国家100余所大学和实验室的1000位科学家组成。
　　公报说，拟议中的国际直线对撞机是一台超高能量的粒子对撞机，由两台大型超导直线加速器组成，总长约31公里。对撞机加速器的超导腔可以在接近绝对零度条件下使粒子束流获得巨大能量，并在对撞机的探测器中相撞。对撞机内的电子和正电子束流每秒碰撞次数可达7000次，使对撞总能量达到5000亿电子伏特。对撞产生一系列新粒子，可以回答自然界一些最基本的问题，如物质的起源、暗物质、暗能量等。科学家相信，国际直线对撞机将与大型强子对撞机一起，解开很多未解的宇宙科学之谜。
　　公报称，目前的主要进展包括加速器内超导射频测试装置已建成并成功试运行，加速腔的工序也已大幅改进。此外，为国际直线对撞机生产其所需的16000个超导腔以及探测器的细节等也被列入设计报告。
　　欧洲核子研究中心认为，这份设计报告凝聚了有关国际直线对撞机的最新、最先进以及最为详尽的设计，也标志着多年来全球各国对国际直线对撞机的协作研发取得成果。在充分考虑国际直线对撞机的性能、风险与成本的情况下，与此相关的技术设计与项目实施计划是现实可行的。
　　国际直线对撞机研究部门负责人山田作卫表示，2012年欧洲核子研究中心宣布，该中心的大型强子对撞机发现了一种“看起来越来越像”希格斯玻色子的新粒子，这一发现使得国际直线对撞机肩负更为重要的任务，即对大型强子对撞机起到补充作用，对这种粒子的特性进行更为细致的研究分析。
　　国际直线对撞机的选址尚未确定，候选地点分别是日内瓦附近的欧洲核子研究中心、美国费米国家加速器实验室和日本某地。

　　这是欧洲核子中心大型强子对撞机的ATLAS探测器获得了数据的模拟粒子路径图。希格斯玻色子是当两个质子以14TeV的极高能级相撞时产生的，此后它会迅速衰变为4个子，这是一种不会被探测装置吸收的大质量电子。这一图像中，子的运行路径用黄色线标示。
　　据国外媒体报道，物理学家们宣布他们发现了所谓“上帝粒子”，即希格斯玻色子存在的坚实证据。科学家们长期以来一直在搜寻这种神秘莫测的粒子的踪迹，而如果这一粒子的存在最终被证实，那么它将会产生重大影响。
　　标准模型是粒子物理学的基础理论，然而其中所有预测的粒子都已经被顺利找到，唯独希格斯玻色子一直杳无音讯。利用建立在法国和瑞士边境的大型强子对撞机(LHC)设备，科学家们让质子在长达27公里的环形轨道内以光速相撞以开展相关实验。物理学家们表示，一旦确认希格斯玻色子将会至少产生以下六点重大影响：
　　1. 揭开质量起源之谜
　　物体的质量是怎么来的？这个问题一直困扰物理学界，而希格斯玻色子恰恰被认为与宇宙中一切物体的质量起源有关。希格斯玻色子与一种场有关，那就是所谓的希格斯场，理论上认为这种场充斥着整个宇宙。当宇宙中的其它粒子在这一场中运行时便获得了质量的属性。这就有点像是大家都在一个游泳池里游泳，然后身上都会被打湿，在这里，被水打湿就像是物体获得质量一样。
　　美国哈佛大学物理学家杰奥·哥斯达(Joao Guimaraes da Costa)表示：“希格斯粒子的机制让我们能够理解粒子获得质量的途径和方式。” 哥斯达是去年欧洲核子中心宣布疑似希格斯粒子发现时，大型强子对撞机(LHC)所属ATLAS探测器设备的标准模型召集人。他说：“如果没有这种机制，那么所有的一切物体都将失去质量。”
　　确认此次发现的粒子确实是希格斯粒子将证明我们设想的粒子获得质量属性的方式是正确的。美国加州理工学院物理学教授玛利亚·斯皮罗普鲁(Maria Spiropulu)表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法，而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的。这是一项无与伦比的成就。”
　　而后，这将进一步为一个更深层次的问题提供解决的线索，那就是：为什么这些粒子拥有这一质量数值？这个值是如何确定的？对此，哈佛大学物理学家丽萨·兰德尔(Lisa Randall)表示：“这是一个大得多的问题。确认这的确是希格斯粒子只是整个过程的第一步，此后我们才能更往前走，这两者之间是相互联系的。”
　　2. 完善标准模型
　　标准模型是当代粒子物理学的基石，它描述了整个宇宙中所有的粒子。所有被标准模型所预言的粒子此前都已经被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣布初步结果时，欧洲核子中心ATLAS实验设备科学家乔纳斯·斯兰德伯格(Jonas Strandberg)就曾表示：“这是标准模型中缺失的一环，因此如果这一发现得到最终确认，那么它将最终证明我们目前的认识是正确的。”
　　到目前为止，科学家们所发现的这一疑似希格斯粒子似乎和标准模型中预言的性质相吻合。但即便如此，标准模型本身也并不完整：例如它没有包括引力，也没有将被认为占据整个宇宙物质总量约98%的暗物质成分考虑进去。
　　美国费米国家实验室CMS中心的物理学家帕提·麦克布雷德(Patty McBride)在上周四表示：“即便有证据清晰地证明目前我们新发现的这一粒子确确实实就是标准模型所预言的希格斯玻色子，即便如此我们对宇宙的认识仍然模糊不清。”他说：“我们仍然不能理解为何引力如此微弱，我们还要面对巨大的暗物质的存在。不过，对于这一已经有48年历史的经典理论来说，迈出了完善的第一步仍然不失为一件令人高兴的事。”
　　3. 电弱相互作用
　　确认希格斯粒子还将对电弱相互作用的构建产生重要影响。这种作用是对电磁作用与弱相互作用的统一描述，这两者都是自然界的基本力类型之一。电磁作用描述带电粒子之间的相互作用，而弱相互作用则描述放射性衰变过程。
　　自然界中所有力的作用都和某种粒子有关。比如与电磁力有关的粒子是光子，这是一种质量为零的特殊粒子。而弱相互作用力则和名为W和Z的玻色子有关，这两种粒子都拥有很高的质量值。而所有这些粒子的质量来源，便被认为是希格斯玻色子的作用造成的。
　　欧洲核子中心的斯兰德伯格表示：“如果引入希格斯场的概念，那么W和Z玻色子就会和这个场混杂在一起，在这一过程中它们便获得了质量。”他说：“这解释了为何W和Z玻色子会有质量，并将电磁作用和弱相互作用两种基本力统一了起来，构成电弱相互作用。”
　　4. 超对称理论
　　超对称理论也将受到希格斯粒子发现的影响。这一理论认为任何一种已知的粒子都有一个“超级伙伴”粒子，这种伙伴粒子拥有轻微差异的性质。超对称理论拥有很大的吸引力，因为它可以统一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭开暗物质构成之谜。然而到目前为止这一理论的前景黯淡，科学家们只找到了和标准模型预言的希格斯粒子性质极其相似的粒子，但是却没有能发现任何和超对称粒子有关的线索。
　　5. 大型强子对撞机
　　大型强子对撞机(LHC)是世界上最大的粒子加速器。这一耗资约100亿美元的设备率属于欧洲核子研究中心(CERN)，其目的是创建地球上能级最强大的粒子加速器设施。而其中找出希格斯玻色子则被列为了该设备的最优先目标之一。此次最新宣布的结果为LHC此前的结果提供了强有力的证明，也是对此前一直在这里为达成这一目标而忘我工作的物理学家们所取得丰硕成果的最好证明。
　　斯皮罗普鲁在去年的一份声明中表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法，而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的。这是一项无与伦比的成就。”他说：“科学家们已经等待了整整一代人的时间，为的就是这一刻。来自全世界各地大学和研究机构的粒子物理学家，工程师和技术人员们已经为了达成今天的这一成就奉献了数十年的辛勤工作。现在是时候让我们暂时停下脚步，回过头去审视这项发现的意义了，然后再继续进行海量的数据收集和分析工作。”
　　希格斯玻色子最早是在1964年由英国物理学家皮特·希格斯和同事们提出的。而这个名字的后半部分则是为了纪念杰出的已故印度物理学家和数学家玻色，他与爱因斯坦一同给出了玻色子的定义。玻色子是一类基本粒子，主要包括胶子和引力子等。其负责传递费米子之间的相互作用，如夸克，电子和中微子等等。费米子是宇宙中的另外一种基本粒子类型。
　　6. 宇宙的命运
　　希格斯玻色子的确认将为科学家们开启一扇大门，让他们得以进行此前无法进行的一些计算。其中一些计算的结果有关宇宙的命运。有一种观点认为宇宙将在未来数十亿年内毁灭。
　　在进行这样的计算时，希格斯玻色子本身的质量是一个非常关键的参数，它预示了时空的未来命运。目前的测量值显示，希格斯玻色子的质量约为质子的126倍，这一质量值几乎已经处在了一个临界点上，它将有可能让宇宙在未来数十亿年内走向毁灭。
　　约瑟夫·林肯(Joseph Lykken)是美国费米国家实验室的物理学家，他表示：“计算的结果告诉我们，在数十亿年之后宇宙将可能面临灾难。”他说：“这或许意味着我们所生活于其中的这个宇宙本身存在着内在的不稳定性，在数十亿年之后这一切都将归于瓦解。”