中国有可能会建粒子对撞机研究“上帝粒子”

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上帝粒子

2013年诺贝尔物理学奖授予比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和英国物理学家彼得·希格斯，以表彰他们提出希格斯机制并成功预测希格斯玻色子的存在。对诺贝尔奖花落希格斯玻色子该如何解读？发现希格斯玻色子对人类认识宇宙有什么重大意义？中国科学家对发现该粒子做出了哪些贡献？近日，本报记者就这些问题专访了几位中国物理学家。

等待近半个世纪

“实至名归”和“期盼已久”，中科院院士、中科院高能物理研究所研究员陈和生用两个词来描述今年诺贝尔物理学奖的归属。他说，被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子对标准模型理论来说是关键粒子，经全世界物理学家近半个世纪的努力才发现了它。

什么是标准模型？它是物理学用来解释自然界最深层物质结构的粒子物理基本理论，它的成功被大量的高能物理实验所证实，但是，在欧洲大型强子对撞机（LHC）实验之前，标准模型中解释基本粒子质量来源的希格斯粒子一直没有在实验上被观测到，也使得希格斯粒子成为标准模型里唯一未被实验发现的粒子。

“也正因如此，寻找希格斯粒子以解释宇宙间物质的质量起源成为过去几十年许多大型高能粒子物理实验的最重要物理目标，而2012年在LHC的ATLAS和CMS实验中发现希格斯粒子，也被认为是物理学在标准模型建立后的近几十年来最重要的发现。”ATLAS国际合作组中国组负责人、中科院高能物理所研究员金山告诉记者。

欧洲核子研究中心去年7月宣布，该中心的两个强子对撞实验——ATLAS和CMS项目发现了同一种新粒子，它的许多特征与希格斯玻色子一致。随后该中心于今年3月称，更多数据分析表明“它就是希格斯玻色子”。

没有“上帝粒子”就没有宇宙

据中科院高能物理所研究员张新民介绍，希格斯粒子是一种构成宇宙万物的基本粒子，其他的基本粒子包括夸克和轻子以及传递他们之间相互作用的规范玻色子，但希格斯粒子与这些基本粒子不同。“没有它，其他基本粒子都是没有质量的， 都将以光速在运动，会聚集不起来，形不成今天看到的宇宙，更谈不上生命。可以说希格斯粒子是我们宇宙万物形成的基础，是质量产生之源。”

当公众沉浸在发现希格斯粒子的兴奋中时，冷静的科学家提醒道，它是重大进展，却并非终点。

在当下的讨论中，希格斯粒子常和宇宙学研究联系在一起。对此，陈和生认为，讨论希格斯粒子的发现对宇宙学研究的具体影响还为时尚早。“现在发现的是希格斯粒子，但它到底是标准模型粒子，还是超对称模型的粒子，这有待进一步研究。如果被证明是后者，那可以解释暗物质。”

张新民说，目前还不能解释希格斯粒子为什么比质子重125倍。理论计算表明，对于这样重的希格斯粒子，宇宙是不稳定的，将在数十亿年以后毁灭。这说明，目前的理论模型还要进一步完善，还需要进一步研究希格斯粒子。

张新民同时强调：“更重要的是，除可见物质外，宇宙中其他的95%是暗物质和暗能量，超出粒子物理标准模型。所以，发现了希格斯粒子，是粒子物理学的一个重大进展，但不是终结。”

对于希格斯粒子的进一步研究，在金山看来，研究希格斯粒子的性质以及在LHC实验中寻找超出标准模型的新物理信号尤其是寻找超对称粒子,成为今后高能粒子物理实验的热点。

中国科学家功不可没

在全世界将目光投向神秘的“上帝粒子”时，我们会发现在寻觅其踪影的征程上，也有中国科学家的身影。“从探测器建造到数据分析，中国科学家做出了重要贡献。”陈和生说。

发现希格斯粒子的ATLAS和CMS实验是目前世界上规模最大的高能物理实验，每个合作组有约3000名成员。在科技部、中科院等支持下,一批中国科学家参加了这两个大型实验。

据金山介绍，ATLAS中国组在发现希格斯粒子的3个主要衰变道的物理分析中做出了直接贡献，CMS中国组则承担了缪子探测器的建造任务。

“我们承担一部分探测器的建造任务，得到了很高的国际评价。此外，中国专家在数据分析过程中提出来的一些分析方案，对分析结果起了很大作用。”对于分析的难度，陈和生打了一个形象的比喻：“就像从一大堆沙子里挑一粒金沙。”

金山认为，中国科学家的贡献说明我们有能力参与世界最前沿的大型实验的合作与竞争，并对人类文明进步的重大成果做出贡献。他坦言，如果能够在中国建造一个周长为50公里-70公里、能量为250GeV左右的环形正负电子对撞机“希格斯粒子工厂”，并在将来能够升级到能量是50TeV左右的超级质子对撞机，就能使我国在研究希格斯粒子性质和寻找超出标准模型的新物理领域占有全面国际领先地位。