美国万亿伏特粒子加速器发现疑似上帝粒子信号

安斯楷

隶属于美国费米国家实验室的“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron)，在长达20年的时间内它一直占据着世界最

　　新浪科技讯 北京时间3月9日消息，美国“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron)项目的科学家们近日表示他们在数据中发现了多个疑似希格斯玻色子的信号，其质量数大致和欧洲大型强子对撞机(LHC)得到的结果相同。这一发现增加了这样一种说法的分量，那就是希格斯粒子可能存在于125吉电子伏特质量数附近。这种神秘粒子被认为赋予了所有其它粒子以质量。然而，这些新的数据本身仍然不足以从统计学角度上增加这项发现的可靠性。目前研究人员们已经将他们的结果在近日于意大利举行的物理会议上公布。

　　“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron)隶属于美国费米国家实验室，它在长达20年内一直占据着全球最强大粒子加速器的位置，但是在2011年却因为延长其资金拨款的谈判失败而被迫停止运行。然而和所有其它粒子加速器一样，Tevatron在其运行过程期间已经积累下海量的数据需要分析。

　　最新的数据暗示希格斯粒子可能存在于115~135 GeV之间，置信度为2.2Σ。这一数值是质子质量的120~140倍，质子是原子核的基本组成部分，它存在于每一种原子的原子核内。在物理学上，这种置信度就意味着有1/36的几率这种信号是一个误报或者噪音，这一数字是远远低于5Σ这个被视作可宣布为“正式发现”的物理学黄金标准的。

　　然而让这一发现更加显出其重要意义的一件事情在于，尽管两者采用的方法大相径庭，但是欧洲的大型强子对撞机同样在其数据中找到一个峰值，并且这个峰值出现的质量位置恰好和Tevatron的结果非常接近。

　　LHC的做法是将质子进行对撞，而Tevatron则使用质子和它们的反物质粒子，即反质子进行对撞。这两项实验的目的都是想通过观察这些高能粒子在衰变后的情况来搜寻希格斯粒子的踪迹。在Tevatron，这些数据是由底夸克和它的反物质伙伴——反底夸克对撞产生的，而在LHC，主要的探测目标则是对撞时产生的光子。

　　鲍勃·罗瑟(Rob Roser)说：“这是一台不同的加速器，不同的探测器，不同的衰变过程。”鲍勃是CDF探测器项目的发言人，这是安装在Tevatron设备上的两台主要探测器之一。他告诉BBC记者说：“它正在让图像变得清晰起来，让事情变得更加有说服力。但是我们还没有达到我们期望的那样自信。”他说：“我只是希望我们两家中至少有哪一家能有更多的数据，这真让人沮丧。”而在LHC，两台安装在其中的主要探测器——CMS和Atlas同样在周三举行的会议上报告了他们的进展，但是相比去年他们报告的内容，今年这一次的报告中仅仅提供了些许更进一步的数据。

　　但是这一切的艰难困境在今年下半年将会被一扫而空，因为科学家们计划今年将获得相当于2011年全年3倍的数据量。然而，近期对于Atlas数据进行的分析结果已经排除了122.5 GeV以上区间的可能性。Tevatron的数据则帮助科学家们排除了质量超过147-179 GeV的情形，这一数据同样和LHC的结果相当吻合。

　　正如先前所言的那样，如果希格斯玻色子真的存在，那么它可能存在的范围已经被缩小了。

　　托尼·魏伯格(Tony Weidberg)是一位牛津大学的物理学家，他在LHC的Atlas探测器项目工作，他说Tevatron的探测结果符合一种“较轻”的希格斯玻色子的设想。

　　他告诉BBC记者说：“这很有趣，因为这是另一个小小暗示。它暗示我们到今年年底时将有可能发现这种粒子，而不是宣布排除了这种可能性。”他说：“证据就隐藏在LHC的数据中，我们今年就将找到它；到今年年底，我们将走出模糊和不确定，得到清晰的证实或排除的结果。对我来说，不管结果如何，这两个结果中其中任意一个的确认都将让人兴奋不已。”

安斯楷

美国称接近发现“上帝粒子”
　　物体是如何拥有质量的问题，已接近找到答案。

　　继欧洲核子研究中心今年2月宣布已接近“上帝粒子”——希格斯玻色子的藏身处后，美国研究粒子物理学的费米实验室美国时间3月7日发布消息称，通过实验分析，他们已经接近证实物质“质量之源”、即希格斯玻色子的存在，距找到希格斯玻色子可能已“路途不远”。

　　按照粒子物理学的标准模型，希格斯玻色子“赋予”物质质量。20世纪60年代，英国人彼得·希格斯等物理学家假定，在137亿年前的宇宙大爆炸中，希格斯玻色子使物质得到质量。科研人员认为，希格斯玻色子使恒星、行星、动植物形成成为可能，希格斯玻色子因此也被称为“上帝粒子”。

　　希格斯玻色子被称作粒子物理学经典理论大厦的“最后一块基石”。几十年以来，粒子物理的“标准模型”理论预言了多种构成物质的基本粒子，除希格斯玻色子外，其他被预言的基本粒子均在实验中得到证实。

　　中国科学院院士、粒子物理、理论物理学家何祚庥昨日在接受早报记者采访时称，现在的实验结果越来越强地证明了有希格斯玻色子存在的迹象。

　　不过在粒子物理领域，不确定性是非常高的，因此即使最终未能证明希格斯玻色子的存在，也不意味着粒子物理的“标准模型”就会被推翻，只能说给予其质量的，不是以粒子的形式存在而已。

　　虽然中国也有众多机构与科学家参与到寻找希格斯玻色子的国际项目中，并且也投入了一定的资金，但是何祚庥认为，中国在基础研究领域与西方的差距相当巨大。不过真正值得深思的是，中国在应用领域与西方的差距更大，“基础研究先进与否，从短期看就是拿不拿诺贝尔奖的问题，但在应用领域，则直接决定了国防等领域的差距，那才是关键的。”

　　何祚庥建议，中国可以加大对基础领域研究的投入。但是对应用领域的投入，要注意方向，否则投入与产出将不成正比。

　　“上帝粒子”有多重？

　　此番宣称接近证实物质“质量之源”的费米实验室位于美国伊利诺伊州，内设一部正负质子对撞机。这部对撞机去年9月关闭。不过，实验室科研人员应用对撞机先前实验数据继续分析。

　　“这(分析进展)是正负质子对撞机实验的一个重要里程碑。”美国费米实验室高能物理部副主任吉姆·西格里斯特3月7日告诉法新社记者，“寻找希格斯玻色子的这场游戏正接近尾声”。

　　何祚庥称，在粒子物理的“标准模型”中，有W+粒子、W-粒子以及Z0粒子。从理论上看，它们质量应该等于0，但实际上，它们是有质量的。这就意味着它们需要希格斯玻色子，即“上帝粒子”，给上述三类粒子赋予质量的性能。

　　“这个希格斯玻色子只是理论上的，在计算希格斯玻色子的质量时，范围比较宽泛，因此，究竟是多少，需要从实验上去证明。但是之前实验找了半天，找不到，现在只能精确到一个范围。”何祚庥说。

　　此次费米实验室公布的粒子质量范围是115至135吉电子伏特。吉电子伏特是衡量亚原子粒子的质量单位。

　　探寻“上帝粒子”的征途上，费米实验室并非唯一行者。今年2月13日，欧洲核子研究中心公布实验数据，希格斯玻色子质量范围为115至127吉电子伏特。

　　“基础研究是奢侈品”

　　在证明“标准模型”时，W+、W-以及Z0都已被找到。“原因是上述粒子质量比希格斯玻色子小。在量子物理中，质量大的粒子出现的概率相应会小不少，因为质量越大，需要的能量越大。这也正是为何这次对撞，如果要产生希格斯玻色子就需要更高的能量的原因。”何祚庥解释道。

　　欧洲核子研究中心一直在提高大型强子对撞机的运行能量(从过去的每束粒子3.5万亿提高到4万亿电子伏特)和加大对撞次数，以最大限度获取对撞数据。

　　去年11月份，欧洲计划停机20个月，到2014年下半年重新启动，然后对撞机提供的质子束流将被逐步加速至接近7万亿电子伏特的最高设计能量。

　　“中国做不出来这个效果。”何祚庥说，国内目前没有能力做这种大型的对撞实验，因为我们的加速器能量等级太低了。在日内瓦，加速器长达二十多公里，在美国的费米实验室，加速器也有几公里长。要有二十多公里的加速器，不知道得投入多少财力。“中国不会投入这么多钱来做这个研究的。中国就是北京正负电子对撞机，比起那些庞然大物，要小得很，投入自然也就小得多了。”

　　费米实验室物理学家罗布·罗塞尔介绍，这两家研究机构的实验仪器不同，费米实验室正负质子对撞机加速环总长6.3公里。而欧洲大型强子对撞机于1991年开始设计兴建，位于法瑞边界地下约100米、约27公里长的环形隧道中。

　　何祚庥称，基础研究投入少，这个是国家的发展阶段问题。所谓基础研究，像粒子物理，从国家的角度，从老百姓的角度看，可以视为一种奢侈。花钱多，人力投入也会很大，但不一定就能够看到实际的效果。

　　“但是也不要认为奢侈品就是没用的。互联网，是在日内瓦首次发明的，是为了服务于当时的高精尖产品的，于是就有了这些新东西，而后来，这些当时的奢侈品又进入了寻常百姓家。”何祚庥说。

　　“应用领域尤须加强”

　　费米实验室物理学家罗塞尔说，费米实验室可用数据已不多，“我们已穷尽大部分数据……我们将再做一些实验，争取在6月得出最终结论。”

　　参与欧洲实验的北京大学教授钱思进称，不论最后对“希格斯玻色子”的存在与否做出何种明确判断，都是科学上的重大发现；如果“上帝粒子”不存在，由“标准模型”描述的粒子物理理论将面临“必须进行重要修正”的挑战。

　　何祚庥称，即使没找到，也并不意味着这一“标准模型”就被推翻。“在标准模型当中，是要有希格斯玻色子，如果找不着，也未必说，给予其质量的基础机制就不存在了。只不过说，这个机制不表现为粒子，而是表现为其他情况。粒子实际上是一种场的激发的集中表现。”

　　何祚庥认为，相比基础领域，中国在应用领域的差距更大。“基础领域顶多就是短期内诺贝尔奖能否拿到，应用领域直接关系到国计民生。”

　　何祚庥称，在应用领域中国被拉开了更大差距。“比如前段时间，美国宣布研发电磁炮成功。这种武器射程可以达到几百公里，而目前的火炮只是十几乃至几十公里。如果美国海军装备了这一技术，在200公里外，它可以命中对方，但我们命中不了它们，所以这个差距是很大的，很危险。这个差距，恐怕不比粒子物理小，而且还直接影响到国防安全问题。”

　　“现在我们也没有什么成果啊。这些年，应用研究也没什么成果，几乎等于0。甚至还有一种错觉，觉得近年来进展不错。比如我们的登月，自认为很不错，但是要知道这比美国落后了五十多年。即使登上，也没什么不得了的。”何祚庥称，“我们现在的问题不光是钱投多少的问题，关键是方向的问题。否则投入与产出会不成正比。”