發現希格斯意味著什麼:林道諾貝爾獎得主會議,第三天

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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。”

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。”

Mariette DiChristina, Steering Group chair, is dean and professor of the practice in journalism at the Boston University College of Communication. She was formerly editor in chief of 大眾科學 and executive vice president, Magazines, for Springer Nature.

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