本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
日內瓦歐洲核子研究中心(CERN)國際關係主管費利西塔斯·保斯要求在場的年輕科學家舉手:誰在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機或LHC上使用過ATLAS或CMS儀器?很多人都舉手了。誰是理論家?更多人舉手——總共有數百人。最後,對這個領域普遍感興趣的人呢?現在,擁擠的禮堂裡所有人都舉起了手臂。
隨著宣佈發現了一種類似希格斯玻色子的粒子,今天在德國舉行的林道諾貝爾獎得主會議上是重要的一天,今年的會議重點是物理學。這個年度會議,已經是第62屆,彙集了諾貝爾獎得主和年輕科學家,進行為期數天的講座和友好交流。人們熱切期待的發現希格斯樣玻色子,激發了在場獲獎者的多種情緒:既有欣喜,也有滿足,渴望解決它提出的令人困惑的額外問題,甚至,在一種情況下,感覺這一切“有點虎頭蛇尾”。希格斯玻色子是粒子物理學標準模型中缺失的一環,已被尋找了30年。
“對我來說,對整個物理學,對整個人類來說,今天都是偉大的一天,” 戴維·格羅斯說,他因發現強相互作用理論中的漸近自由而分享了2004年的諾貝爾獎。“我一整天都無法停止微笑。” (格羅斯還擔任《大眾科學》的顧問。)
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在新聞釋出會和隨後的專題討論中,幾位獲獎者就研究結果發表了自己的看法。為了使他們的評論更易於瀏覽,我將這篇文章組織成問答形式。
(您可以在深入報道中閱讀我們本週對林道會議的所有報道,包括與會年輕科學家的“30歲以下30人”系列文章。另請參閱林道諾貝爾社群部落格。)
那麼我們得到了什麼?
簡而言之,結果雖然是初步的,但高度確信地指向了一種類似希格斯的粒子的存在。(有關置信度和其他資訊的更多詳細資訊,請參閱“大型強子對撞機揭示出一種類似長期尋找的希格斯玻色子的新粒子”以及我們與哥倫比亞大學的約翰·帕森斯進行的線上聊天。)
“這不是那個希格斯玻色子,而是一個希格斯玻色子,”格羅斯說。要成為標準模型最簡單版本中預期的希格斯玻色子,研究人員需要確定兩件事,這兩件事尚未測量,但可能會在LHC計劃在維護停機前進行的額外三個月實驗中找到:玻色子稱為自旋的固有屬性的預期量,以及與它耦合的粒子質量成正比的衰變率。
“這些是非常初步的結果,”卡洛·魯比亞說,他因促成W和Z玻色子的發現而分享了1984年的諾貝爾獎,並曾擔任歐洲核子研究中心的主管。儘管如此,他還是稱它們為“一個重要的里程碑”。結果比預期的與“最簡單”的標準模型相符的結果要大。“也許大自然決定換個思路,”他在談到理論描述時說,或者也許額外的實驗執行會使影像更加清晰。為此,LHC現在將再執行三個月,然後關閉進行計劃中的兩年維修;當它重新啟動時,它將能夠以更高的能量執行。
他說,今天的發現啟發了喬治·斯穆特,他因發現宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性而分享了2006年的諾貝爾獎,來做出彌補:“一年前,我對理論家沒有尋找額外的解決方案持批評態度,”他認為他們“過於堅持模型的最簡單形式”。他說他現在想道歉。(“我原諒你,”格羅斯說,引起了一陣笑聲。)“你所看到的是一個想法的力量,”斯穆特談到這個理論時說。“在某種意義上,這將是詩意的。”
斯穆特指出,結果的置信度標準非常高,儘管額外的實驗應該會進一步提高置信度:“我們現在的情況是,我們可能更多地受到概念性錯誤的影響,而不是實驗性錯誤的影響。”
馬丁努斯·韋爾特曼,因闡明電弱相互作用的量子結構而分享了1999年的諾貝爾獎,被問及為什麼他看起來沒有其他人那麼興奮。“對我來說,這有點虎頭蛇尾,”他說。“我還能說什麼呢?”他似乎聽天由命地要繼續工作,說在希格斯的結果得到證實之前,可能沒有其他事情可做了。在研究標準模型理論計算時,他補充說,“我曾試圖在沒有希格斯的情況下生活,”儘管“在模型中要付出相當大的代價。但是可以做到。”
這項發現是一個時代的結束還是一個新時代的開始?
“兩者都是,”格羅斯說。結果加強了標準模型,但也提出了新的問題。“現在我們有機會探測我可能稱之為希格斯領域的領域,這是一個新領域。這僅僅是個開始。LHC是一個20年的專案。LHC只記錄了實驗過程中將要記錄的事件的約2%。”
“我們相信物理學不會止步於此,”魯比亞說。“有越來越多更難的問題。”
我們在結果中看到了超越標準模型物理學的跡象嗎?
“在某種程度上,是的,”格羅斯說,他認為這實際上已經在12月的公告中發生了,結果排除了希格斯可能存在的巨大能量和質量範圍。
“作為一名實驗主義者,”魯比亞評論道,“我更願意讓大自然來決定。”
歐洲核子研究中心的約翰·埃利斯透過影片連線露面,他希望最終確認超對稱性,這是一個理論上存在的基本粒子的影子世界。“今天的研究結果非常開放地表明,可以在LHC中發現超對稱性,”他說。在超對稱性中,可能存在總共五個希格斯玻色子。“我主要說,當LHC在維護後處於更高能量時,超對稱性將成敗在此一舉。” “我仍然在堅持,希望出現超對稱性。”
研究結果是否適用於宇宙學?
是的,斯穆特說:“自從我小時候,就像你們這個年齡一樣,我們就開始相信大爆炸是正確的模型。我認為粒子物理學與宇宙學相關,並且它是解釋[諸如]暴脹、重子不對稱、暗物質、加速宇宙等難題之一。”標準模型幫助他們進行必要的計算。“粒子物理學對宇宙學中發生的事情具有真正的直接影響。你不能把它們分開。我一直認為這兩個領域將會合並。”
LHC之後,科學家接下來應該做什麼?
格羅斯說,電子和正電子的線性對撞機將更容易測試粒子的特性,“但這在10到20年內不太可能實現。也許這個結果為建造一個線性對撞機提供了動力。”無論如何,“實驗主義者,正如他們今天所證明的那樣,都非常聰明,”用他們擁有的儀器梳理出微小的訊號。
“在LHC之後,發現一些東西——當然我希望它不是那個希格斯玻色子——肯定會將希格斯工廠提上議事日程”,以便找到更多這樣的粒子進行分析,埃利斯說。“但是,在看到LHC的高能量值執行幾年之前,不應確定議程。一個既可以成為希格斯工廠又可以做其他事情的東西,我對它會很感興趣,”他說。
這項發現會獲得諾貝爾獎嗎?
“我們已經得到了!”格羅斯說,引起了感激的輕笑聲。魯比亞指出,一些諾貝爾獎頒發得很快,但在其他情況下,需要長達40年的時間。“這是物理學中的一個里程碑,值得諾貝爾委員會給予最高重視,”他補充說。
格羅斯最終建議:“忘掉諾貝爾獎。今天的興奮不是關於獎項,而是關於發現以及我們對真實世界日益增長的理解。”
您如何看待人們稱希格斯玻色子為“上帝粒子”?
“這是一個非常糟糕的術語,”格羅斯說。“它與那毫無關係。”魯比亞補充說:物理學家萊昂·萊德曼,他在一個稍微長且更生動的版本中創造了這個表達方式,他有“一種獨特的幽默感”,我們應該用“同樣的幽默感”來使用這個術語。
大約有4000人從事這些實驗。所有的時間和費用都值得嗎?
“絕對值得!”格羅斯宣佈。“看看你們的興趣就知道了。”
魯比亞補充說:“這也表明了非常大的社群是如何協同工作的。”