作者:陈缮真 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2024/4/15 21:21:20
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他不喜欢“希格斯粒子”,更不满“上帝粒子”

 

文 | 陈缮真(中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员)

2024年4月8日,英国粒子物理学家彼得·希格斯离世了,享年94岁。

他是一位低调、谦卑的物理学家。他预言了后来以其名字命名的“希格斯粒子”,而他为数不多的关于希格斯粒子的论文成为粒子物理学发展过程中最重要的突破之一。

希格斯粒子在粒子物理学理论体系中有着极为重要的地位。它是自然界基本粒子中唯一的标量玻色子,更重要的是,它能够为其他粒子赋予质量。

然而,希格斯粒子行踪隐秘,从它在理论上被提出到在实验中被观测到,跨越了近半个世纪。其间,粒子物理学标准模型建立并完善,而寻找希格斯粒子始终是这门学科的主线任务之一。由于对它的寻找贯穿了整个标准模型建立过程,这使得希格斯粒子的提出和发现成为粒子物理学发展中的重要里程碑。

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彼得·希格斯    图片来源:Peter Tuffy/爱丁堡大学

他对“希格斯粒子”这个名字不满

在粒子物理学发展史上,1964年是充满奇迹的一年。这一年,美国物理学家默里·盖尔曼提出了夸克模型,奠定了物质结构的基础;爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式,确立了验证量子力学原理的方法;美国核物理学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇通过实验发现了电荷-宇称对称性的破缺,证实了宇宙间正物质和反物质间的不对称。也是在这一年,困扰物理学家多年的微观粒子质量起源的问题悄悄地有了影响深远的突破。

这一年,有3组物理学家——比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特,彼得·希格斯,美国物理学家杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和英国物理学家汤姆·基博尔,分别在8月、10月和11月独立发表论文提出了一种机制。他们假定了一种特殊的场,这种场在与其他粒子相互作用的过程中能够通过自发性的对称性破缺过程赋予其他粒子质量。这3篇文章后来被统称为“1964年对称性破缺文章”。于是,这种机制便被一些人以这6位提出者的名字命名,被称为恩格勒-布绕特-希格斯-古拉尼-哈庚-基博尔机制。后来,由于历史的机缘巧合,这种机制被更多的人称作希格斯机制。该机制中被假定的场称为希格斯场,而希格斯场自身的量子化激发就是希格斯粒子。

然而,彼得·希格斯本人对“希格斯粒子”这一名字并不满意,他认为其他人的贡献同样重要,而仅仅使用“希格斯”命名会忽略其他有贡献的科学家。

更让他不满的是“希格斯粒子”的另一个名字,也是公众更为熟知的名字——“上帝粒子”。彼得·希格斯是无神论者,他认为这一具有宗教色彩的名称有悖于科学研究的初衷。但是,有无数人喜欢这个名字,就像西方宗教故事中上帝创造万物,希格斯粒子“创造”了万物的质量。因此,把希格斯粒子叫作“上帝粒子”,从物理意义上来讲其实并不过分,甚至还有些贴切。

将希格斯粒子称作“上帝粒子”的起源是美国物理学家利昂·莱德曼在1993年出版的一本科普著作《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》。当时,利昂·莱德曼领导了周长达87公里、造价高达80多亿美元的超导超级对撞机建设。该项目的一个重大目标就是寻找希格斯粒子。该项目最初得到了美国国会的支持,但后来能够决定科学实验项目生死的政客们逐渐失去了对这一目标的兴趣。利昂·莱德曼意识到,有必要向公众讲清楚粒子物理学发展的宏大目标,以及寻找希格斯粒子的重要性,于是便写了这样一本科普著作。

利昂·莱德曼本来想用“天杀的粒子”(Goddamn particle)来称呼这个难以捕捉且寻找它的实验极其复杂、耗资巨大的粒子。然而在编辑的建议下,他改用了“上帝粒子”(God particle)这一称呼。

然而,利昂·莱德曼领导的超导超级对撞机项目还是在1993年10月被美国国会扼杀了。这使得美国从此失去了找到希格斯粒子的机会,也使美国失去了在粒子物理学领域的领导地位。

1994年,欧洲批准了建设欧洲版“超级对撞机”的计划,建造一个周长27公里,横跨瑞士、法国两个国家的巨大设备,即大型强子对撞机。后来,这台设备没有让科学家失望,它建成投入运行后真的发现了希格斯粒子。

2012年7月4日,在粒子物理学史上是值得铭记的一天。这一天,欧洲核子研究中心举办了一场特殊的报告会。欧洲大型强子对撞机上运行的两个实验的合作组分别发布了过去一年多来实验数据的分析结果,他们同时发现了希格斯粒子——标准模型中的最后一块拼图。而这一天,距离希格斯机制的提出已经过去了48年,6位提出者中的一些人已经离开了人世。

这一天,彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒受邀参加了报告会。在宣布实验结果的时候,媒体拍到彼得·希格斯在擦拭眼角。显然,在有生之年见证粒子被发现,让这位时年83岁的老人百感交集。

让诺奖委员会“抓狂”的诺奖得主

希格斯粒子的发现,使彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒成为2013年诺贝尔物理学奖最热门的人选。

2013年,笔者在英国曼彻斯特大学攻读粒子物理学博士学位。10月8日,诺贝尔奖委员会公布了当年物理学奖的获奖者。获奖者公布时间比预期晚了一个小时,奖项毫无悬念地颁给了半个世纪前预言希格斯粒子存在的两位粒子物理学家——弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。

奖项公布8天后,彼得·希格斯访问了曼彻斯特大学,并被授予荣誉学位。在学位授予仪式开始前,彼得·希格斯抽出时间,和我们这些粒子物理专业的学生进行了轻松愉快的交流。

这次交流中,学生们对一周前诺贝尔奖公布被推迟的一个小时里发生了什么感到好奇。而这位老人毫不避讳,跟大家讲起了当天的故事。

原来,在2012年欧洲核子研究中心发现希格斯粒子、彼得·希格斯成为2013年诺贝尔物理学奖最热门的人选之后,彼得·希格斯平静的生活被打破了。无数记者的电话和不明来由的邀请找到了彼得·希格斯,而他认为自己的贡献不值得被如此关注。

作为一个坚持简单生活,甚至拒绝使用手机的人,预料到获奖后将不得安宁,彼得·希格斯计划提前前往一个清静的地方躲避。因为预计奖项公布时间会是中午,于是当天上午11点,彼得·希格斯就离开家去一个海鲜酒吧吃午饭,又去看了艺术展。直到下午3点他在街上遇到以前的一个邻居,邻居兴奋地停下车跟他说“我女儿告诉我您获奖的事儿了”,他才得知自己获诺贝尔奖的确切消息。

与此同时,远在瑞典斯德哥尔摩的诺贝尔奖委员会急切地联系每一个有可能知道彼得·希格斯行踪的人。但是从同事到朋友,没有一个人能联系到这位离开了家又不带手机的老人。寻找彼得·希格斯本人像寻找希格斯粒子一样困难,诺贝尔奖委员会在两度推迟公布获奖者之后,不得不在没有通知获奖者的情况下公布了获奖名单。

新晋诺贝尔奖得主在与我们这些学生的交流中表现得十分轻松和平和。一位女学生拿出了事先打印好的他在1964年发表的预言希格斯粒子的论文,问他能不能在这张纸上写点什么。在得知了这位女学生的母亲即将过生日之后,彼得·希格斯便在这张论文纸上写下了生日祝福。这位一直保持谦卑的科学家如此平易近人,让人印象深刻。

“后希格斯时代”

2012年的发现和2013年的诺贝尔奖,并不是关于希格斯粒子研究的终点,而是未来研究的开端。中微子为什么有质量、最轻的基本粒子和最重的基本粒子间质量为什么差了15个数量级、暗物质的质量从哪里来、宇宙演化及其宿命与粒子质量的关系是怎样的……宇宙有太多的谜题和质量有关系。而对这些问题的理解,离不开对希格斯粒子的深入研究。“后希格斯时代”,科学家将通过希格斯粒子这一全新观测窗口,探索超出现有理论框架的新物理规律,为解开上述谜团提供关键信息。

希格斯粒子被发现的同时也确定了其质量大约是125个GeV。这一条信息决定了适合用来研究希格斯粒子的对撞机所需能量的多少。

科学家们发现,想要以最高的效率产生希格斯粒子,所需要的正负电子对撞机的能量是240个GeV左右。在这个能量之下,大量的正负电子对撞之后能够产生一个希格斯粒子和一个传递弱核力的Z粒子,这一类粒子对撞机被称作“希格斯粒子工厂”。而想要达到这一能量,以现有的技术,最经济的方案是建设一个周长大约100公里的环形对撞机。

2012年9月,在希格斯粒子被发现的两个月后,中国科学家提出了在中国建造下一代正负电子对撞机的计划。这个新的正负电子对撞机的主要运行能量就锁定在了240个GeV。而欧洲也在不久后提出了类似的设想。目前,全世界有超过10个不同设计、不同技术路线的希格斯工厂倡议,其中相对成熟的、已发表概念设计报告的有4个。可见,国际粒子物理学界形成了建造下一代正负电子对撞机的共识。

2023年12月,经过10年的努力,中国科学家率先完成了建设下一代对撞机所需技术的系统性研究,发布了中国版下一代正负电子对撞机的技术设计报告。2024年2月,欧洲科学家也发布了欧洲版下一代正负电子对撞机的可行性分析中期报告。未来,对希格斯粒子的进一步研究将会为新物理理论的发展指明方向,这些研究将会帮助人类进一步了解宇宙。

希格斯粒子是粒子物理标准模型中最神秘、最引人入胜的粒子之一。从提出的那一刻开始,它就和数代粒子物理学家的人生轨迹紧密纠缠。无论多么不舍,粒子物理学早期的奠基人都在逐渐离我们远去。今年,是希格斯机制理论提出后的第60年,彼得·希格斯也迎来了人生的谢幕。

虽然彼得·希格斯离开了我们,但是他谦逊的性格、严谨的科研精神仍然会影响我们这些后辈,他的理论也会继续指导我们了解宇宙。围绕一个个新生想法的萌芽,人类代际传承,不懈努力,一点点抽丝剥茧,一点点厘清自然原理,探索的精神也因此薪火相传。我们会在彼得·希格斯和其他粒子物理学家铺就的道路上,继续拓展人类对宇宙认知的极限。

(中国科学院高能物理研究所研究员阮曼奇对本文亦有贡献)

《中国科学报》 (2024-04-15 第1版 要闻)

 
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