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捕捉上帝粒子的游戏

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“世界是由什么构成的?”

这个在文明诞生之初就伴随着人类的问题,直到最近2个世纪,才逐渐有了准确的答案。

两百多年前,化学家发现,世间万物都可以最终拆解为几十种不同的化学元素。20世纪30年代,物理学家进一步发现,所有元素都是由原子构成的。

在这个尺度上,每个原子被解构为一个位于原子中心的原子核以及若干个核外的带负电的电子。原子核则被进一步分解为不同数目的带正电的质子以及电中性的中子,他们的质量占据了原子质量的绝大部分。每一克物质,都包含了将近一亿亿亿个质子或中子。不过即便如此,质子与中子仍然不是人类微观探索之旅的终点。

在以微米和纳米为衡量尺度的微观世界被纳入人类大发现的体系之后,粒子物理这个新的学科也开始独立于核物理而存在,一个新的物理体系理论——粒子物理标准模型得以建立。

 标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示),左边的三行中,每一行构成物质的一代。图源:天文在线
标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示),左边的三行中,每一行构成物质的一代。图源:天文在线

而当衡量世界的尺度发生变化,一切所谓的理所当然都重新成为被质疑的存在。如同数学家们持之以恒的冲击“1+1=2”一样,在物理世界中,质量也不再是不容质疑的物质基本属性。已发现的物理规则表明,能量可以通过某种“交易”机制成为质量——但是,最初的质量从哪里来?

粒子物理的理论模型一直希望解决质量的起源问题。上世纪中期,粒子物理的理论认为量子场所激发出的粒子应该是没有质量的。没有质量的粒子应该像光子一样,永远以光速传播,并且可以传播向无限远,然而,现实中科学家却从未观测到这样的粒子。

1964年,弗朗索瓦·恩格勒、罗伯特·布绕特,以及彼得·希格斯分别发表了2篇文章,指出如果假设存在一个无处不在的场——即日后被称为“希格斯场”的场,那么粒子的行动就会被影响,然后通过与希格斯场的相互作用获得质量。而这一机制则被称为“希格斯机制”。

在希格斯机制下,质量起源不再是问题,但同时也带来了新的问题,那就是,作为希格斯场存在的佐证之一——希格斯粒子在哪里?

而在找到它之前,我们首先需要理解,希格斯粒子到底是什么?对此,伦敦大学学院的粒子物理学家大卫·米勒有一个精彩的论述。

他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。这时如果一个无人在意的无名小辈走入了酒会,他就可以自由地在酒会上穿梭,随意改变行动方向——就像一个无质量的粒子。但是假如此时一位名人(比如爱因斯坦)走入了房间,那么他就会迅速被酒会上的人注意到,并围上来,因此也就只能缓慢地移动,并且难以改变方向——就像一个有质量的粒子。

但是,假如没有人进入房间,只是门口有个人悄悄地讲了一个传闻,这个传闻就会迅速在房间内传播,因此聚集起一小团听传闻的人群。而且,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。于是,就像是聚集的人群能给爱因斯坦赋予质量一样,这小团聚集的人群也给自身赋予了质量。这时,这小团聚集的人群就是一个希格斯粒子。

就像是宗教中上帝创造了光一样,希格斯机制赋予了万物质量,而希格斯粒子就像是希格斯场激起的涟漪,能证明希格斯机制的存在。因此,希格斯粒子又被称为“上帝粒子”。

而在希格斯机制理论提出3年之后,史蒂芬·温伯格等人尝试搭建粒子物理的标准模型时才意识到,希格斯粒子就像是标准模型的钥匙,释放出了杨-米尔斯方程中被盒子紧锁着的质量。从此,希格斯粒子和希格斯机制成为了粒子物理标准模型的第三块基石——如同杨-米尔斯方程以及夸克模型。

在标准模型三大基石集齐之后,谢尔顿·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆、以及史蒂文·温伯格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,绘出了粒子物理标准模型的基本蓝图,而高能物理学界对希格斯粒子的追逐也就此开始,一场持续半个多世纪的“猫和老鼠”的游戏拉开了序幕。

希格斯粒子现形

科幻小说《三体》中,三体人质子技术的任务之一,是锁死地球的科学进步,为400年后三体人世界占领地球扫除潜在障碍。为了达成这一目的,质子基本上就只做了一件事,就是在人类建造的大型粒子对撞机中随意干扰高能粒子的运动,让这个装置的一切实验结果毫无规律可言。

现实如同科幻的翻转——大型粒子对撞机正是目前粒子物理学家寻找新粒子的终极武器。科学家将粒子加速,然后将两束相向运动的粒子瞄准一个点对撞,在对撞的瞬间,粒子的动能全部释放出来,一部分能量就能通过与质量的“交易”机制转换成质量,与此同时,新的粒子诞生。

在此之前,人们试图从宇宙线中捕获希格斯粒子。早年人们曾从宇宙线中发现了正电子、缪(μ)子和派(π)介子等粒子,然而至今,人们能够津津乐道的粒子依然还是这几个。自二十世纪五十年代以后,从宇宙线中就再也没有新发现了。

二十世纪六七十年代,法国、美国、苏联、德国等国先后建造了十几个对撞机。这些对撞机大小相差巨大,从周长几米到周长两千米,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。借助对撞机这一研究利器,粒子物理学进入了一轮爆发式的发展,粲夸克、底夸克、顶夸克、W±以及Z玻色子等被先后发现。

二十世纪七十年代末,建造周长27千米的“大型子对撞机”(LEP)的计划诞生。经过几年的设计和论证,欧洲核子研究中心最终于1981年的5月22日批准了这个宏大项目。经过长达5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,27千米的周长也让它成为了迄今为止人类历史上最大的科学研究仪器。

当LEP处于施工之时,美国的粒子物理学家完成了对另一台更加宏伟的对撞机的设计,即周长达到80多千米的超导超级对撞机(SSC)。1990年,它在美国得克萨斯州开始破土动工。然而,命途多舛的SSC在经历了临阵设计更换、冷战对抗结束、总统换届、国际空间站项目竞争等内外变故之后变得愈发坎坷,终于在1993年被叫停。

不过在20世纪的最后十年,美国还是成功运行了一台被寄予寻找希格斯粒子希望的对撞机——1986年底的美国费米国家实验室,一个周长6.3千米的正反质子对撞机“万亿电子伏特加速器”(Tevatron)以空前的对撞能量运行了起来,Tevatron所创造的1.96TeV能量记录维持了二十多年,直到被欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)打破。

不过,不管是LEP还是Tevatron,由于能量仍不够高,以及收集到的数据的内容过于复杂等原因,这两台曾在粒子物理其他领域发挥了重要作用的对撞机都未能找到希格斯粒子。

1994年,在美国的对撞机竞争对手SSC被取消之后,欧洲核子中心的各成员国紧接着在投票通过了LHC的建设计划,并在新世纪的第一个十年内完成了欧洲大型强子对撞机(LHC)的建设与调试工作。为此,LEP也为LHC路,于2001年被拆除,让后者使用了它的隧道。

 LHC,图源:欧洲核子研究组织
LHC,图源:欧洲核子研究组织

LHC主要进行四项大型实验,包括ATLAS(超环面仪器实验)、CMS(紧凑缪子线圈实验)、ALICE(大型离子对撞实验)和LHCb(底夸克实验)。为此,它本身占据了一条27千米长的隧道,建设了几个逐级加速的加速器环,其加速器环占据的地表横跨了湖泊和城市,对撞能量也达到了惊人的14万亿电子伏特,质子在加速器内获得的能量能达到自身质量的近万倍,在27千米加速器环内以每秒1.1万次的频率飞行,速度达到光速的99.99%,每秒钟能发生高达10亿次的撞击事例,质子之间剧烈的碰撞产生的瞬时温度可与宇宙大爆炸后不久(约10~12s)的状态相比。

2009年年底,LHC完成了它的第一次对撞,并如期待般迅速且高效地收集了大量粒子对撞的数据。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,半个多世纪前预言了希格斯粒子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀请到了现场。

报告会上,在LHC上运行的两个实验分别宣布了他们发现了“像是希格斯粒子的信号”。由于LHC上的数据量如此之大,他们认为,这一发现是误判的可能性只有几百万分之一。

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,在公布最后结果的时候,听众们忍不住在台下欢呼,“终于,我们发现了它!”

经过了接近半个世纪的努力,人类终于发现了这个“关乎质量起源的粒子”,填上了粒子物理学“标准模型的最后一块拼图”。《科学》杂志将希格斯粒子的发现评为当年最重大的科学发现。

撞出更多上帝粒子

希格斯粒子的发现被视为自原子结构揭示以来人类对宇宙认识的重大突破,这一突破开启了粒子物理的新时代。但另一方面,物理学家也十分清楚目前的标准模型是不完善的,很多实验观测结果与标准模型的预测相冲突,于是,对希格斯粒子的精确研究成为粒子物理学界一个非常明确的需要完成的目标,而借助的工具,则是正负电子对撞机。

这是一种与LHC、SSC性质不同的对撞机。后者依靠超高的能量、复杂的物理过程,产生大量不确定的对撞产物,然后被科学家们筛选、研究,也因此上面研究的课题可以很分散;而正负电子对撞机则运行在“合适”的对撞能量上,产生大量相对“干净”、给科学家更清晰事件信号的目标粒子,因此又被当作某一种目标粒子的“粒子工厂”。

2012年,科学家在LHC上发现了希格斯粒子并确定了产生希格斯粒子所需的能量后不久,各国的科学家团队都拿出了可以作为“希格斯粒子工厂”的正负电子对撞机的建设方案。目前国际上有三个基于正负电子对撞的“希格斯工厂”方案,日本的国际直线对撞机(ILC),中国的高能环形正负电子对撞机(CEPC),以及欧洲的未来环形对撞机(FCC)。

ILC是个长达30千米的直线加速器,它进行正负电子对撞,质心系能量可达500 GeV或更高,既可以作为“希格斯工厂”,也可以运行在更高的能量研究希格斯自耦合等。尽管ILC造价昂贵且建设过程存在风险,但考虑到ILC极为重大的科学意义,承建国很有希望因此而成为粒子物理领域新的霸主。

 ILC设计图,图源:https://linearcollider.org/
ILC设计图,图源:https://linearcollider.org/

欧洲CERN,美国费米实验室Fermilab和日本高能加速器研究机构KEK均对建造ILC表现出极大兴趣。经过多年的预研和竞争,国际高能物理学界最终形成共识,支持日本承建ILC项目。2021年日本成立了ILC项目开发中心,预计未来3~4年成立预实验室(Pre-Lab)。

而中国,在希格斯粒子发现两个月后,开始提出建造中国下一代环形正负电子对撞机CEPC的设想,其目标是精确测量希格斯粒子的性质以及探索标准模型背后更基础的物理规律。具体说,即先建造一个周长约50~100千米、能量为240 GeV的环形正负电子对撞机作为希格斯工厂;条件成熟后在同一隧道内将其改造为能量50~100 TeV的超级质子对撞机,能量将比正在运行的LHC高约6倍。

与此同时,围绕这个可能耗资千亿人民币的大科学装置,中国科学界进行了一场史无前例的大辩论。在2016年9月份物理学家杨振宁撰写文章《中国今天不宜建造超大对撞机》反驳数学家丘成桐之后,其巨大的影响力直接带动了这场讨论在社交平台的关注度,于是,从科学家到媒体到普通网民均开始参与这场原本是科学界内的讨论。

如今回看这场辩论,讨论角度之全,从基础科学的发展、科学装置之间预算的均衡到民生的需要均有涉及。而中国的对撞机虽几经波折,其设计还是缓步开启。2018年11月,CEPC研究团队正式发布了加速器、物理和探测器两卷概念设计报告,由来自24个国家,222个研究机构的1143位研究人员共同签署发表长达930多页的设计报告。2022年3月,中科院高能物理所所长王贻芳在采访中表示CEPC的预研工作“还有两三年就可以全部完成”。

CEPC设计图,图源:CEPC (ihep.ac.cn)
CEPC设计图,图源:CEPC (ihep.ac.cn)

至于欧洲核子研究中心(CERN)的FCC,于2019年发布了设计。一年后,欧洲粒子物理战略规划明确将正负电子对撞机希格斯工厂列为优先级最高的下一代高能物理加速器设施并且布局、投资了大规模的技术研发。

不过,与此同时,CERN仍在运行LHC,并且在未来15~20年内计划对LHC进行多次升级改造。而在全球范围内,所谓更高级的正负电子对撞机仍长期处于设计阶段时,LHC将不可避免地长期霸占最先进大型对撞机的称谓。

在高能物理学界,对撞机是决定性的科学装置。如果以诺贝尔奖为标准的话, 依赖于加速器的粒子物理重大发现占90%以上。因为LHC需要频频运行和升级才能满足实验需要,它的每一次停机和重启也就成为高能物理学界的大事件。

LHC的第一次长期停工(LS1)发生2013年2月13日,在进行了为期2年的运维与升级之后,才于2014年6月重启。此次升级涉及LHC的许多方面:让它可以在14 TeV处实现碰撞,并增强了其探测器和预加速器(质子同步加速器和超级质子同步加速器),更换了其通风系统和100公里长的电缆

在升级后设备收集的大型数据集上,科学家们对希格斯粒子的性质进行了更详细的研究,提高了许多其他结果的精度,首次展示了几种粒子在较高碰撞能量下的横截面测量,还发现了59个新的强子

而运行三年之后,LHC于2018年12月10日开始了第二次长期停工(LS2)。本来预期于2021年结束升级,因为疫情影响,延迟至今年4月22日才成功重启。在此期间,LHC和整个CERN加速器综合体得到了维护和升级。升级后的目标是实施高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)项目,这将使其亮度增加10倍,从而提高观测到罕见反应的概率,并改善统计上的边际测量。

可预见的是,在它的下一次停工时间(HL-LHC项目完成之后,即2026年)到来之前,粒子物理势必将完成新一轮飞跃。而届时希格斯粒子这枚上帝粒子将以怎样的面目出现,依然是一个未知数。

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