希格斯玻色子被发现了?物理学家们准备迎接重大发布

关于欧洲大型强子对撞机对长期寻找的希格斯玻色子的研究结果将于12月13日更新的消息甚嚣尘上

在过去的几天里,关于位于日内瓦的大型强子对撞机计划发布一些被广泛认为是引人入胜的——尽管不是决定性的——证据的消息,引发了物理学界的巨大轰动。这些证据指向希格斯玻色子的存在,这种基本粒子被认为是所有物质质量的起源

许多物理学家已经开始行动,交换关于发布内容的谣言,并提出关于如果谣言成真意味着什么的宏大想法。“兴奋得无法自拔,”密歇根大学安娜堡分校的理论物理学家戈登·凯恩说。

使用大教堂般大小的ATLAS和CMS探测器来寻找希格斯玻色子以及其他现象的合作项目的发言人,计划于12月13日发布基于迄今收集的数据分析的更新,这些探测器位于大型强子对撞机(LHC)的周长27公里的质子加速器上。“不会有发现公告,但这确实会很有趣,”欧洲核子研究中心(CERN)的发言人詹姆斯·吉利斯说,CERN是LHC的所在地。


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伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室的理论物理学家乔·莱肯也是CMS合作项目的成员,他说,“无论希格斯最终会发生什么,我想我们都会回顾这次会议说,‘这是某种事物的开始。’” (作为CMS成员,莱肯说他自己还不确定ATLAS会公布什么结果;他受到其合作项目规则的约束,不得透露CMS掌握的情况。)

[点击此处查看Davide Castelvecchi为本文对莱肯进行的采访的略微编辑的部分转录]

这些谈话是上周宣布的;果不其然,粒子物理学的谣言工厂高速运转,到周末,包括Peter WoitLubos MotlPhilip Gibbs在内的几位博主表示,多个匿名消息来源泄露了一致的信息。据说两个实验都看到了长期寻找的希格斯的证据,指向粒子质量约为1250亿电子伏特,或125 GeV。(1250亿电子伏特大致相当于125个氢原子的质量。)* 这样的结果还不能构成确凿的发现,低于要求的“5西格玛”,这是统计可靠性的衡量标准。但据传这两个实验已经看到了2.5西格玛和3.5西格玛的信号,这加起来会给出强烈的暗示。(3西格玛对应于发现是统计巧合的几率是1/370,尽管在粒子物理实验中,3西格玛的结果消失并不罕见。)

先前来自LHC及其美国前身费米实验室的Tevatron的数据分析将希格斯玻色子的质量范围缩小到115到140 GeV之间。但新的公告将构成LHC的两个实验首次对质量做出精确和一致的估计。

即使在数据公布之前,世界各地的理论物理学家也在研究可能的含义。一些人指出,125 GeV的值对于超对称性来说将是个好消息,超对称性理论预测每个粒子都有一个更重的伴随粒子,称为超粒子(至少对于粒子物理标准模型框架内的粒子来说,标准模型是目前公认的亚原子世界描述)。罗格斯大学的Matt Strassler说,“大多数超对称模型都将希格斯置于140 [GeV] 左右”。长期以来,超对称一直是扩展标准模型的首选,因为它将回答许多未解的问题,首先是暗物质的性质,暗物质是看不见的质量,它使星系旋转速度比其他情况下更快。

但是,超对称的长期支持者凯恩提出了一个更雄心勃勃的声明。在12月5日发布在物理学预印本网站arXiv.org上的论文中,他和他的合作者不是从超对称而是从更彻底的物理学改革出发:弦理论。(弦理论本身就是超对称的扩展。)他们的计算预测希格斯质量在122到129 GeV之间。“如果它在这个范围内,那么将弦理论与现实世界联系起来将是一个令人难以置信的成功,”凯恩说。他说,他有信心,如果即将发布的LHC公告如预测的那样进行,将构成弦理论的证据。“我不认为我的妻子会让我们拿房子打赌,但我会接近,”他说。

凯恩和他的同事现在发布他们的论文,因为希格斯质量已经被——或者即将被——限制在一个特定的范围内,这肯定会导致一些物理学家指责这项新研究不是预测,而是“后测”。长期以来,弦理论的批评者一直声称该理论具有如此大的灵活性,以至于人们总是可以对其进行调整以使其预测任何东西。

此外,弦理论是否可以做出可检验的预测一直是有争议的话题。“问题是,就我们所知,可能有10,000种其他方法可以从弦理论开始,并获得相同的希格斯质量,它们在其他方面可能有所不同,”莱肯警告说。

当涉及到质量预测时,一致性并不一定意味着验证,斯特拉斯勒指出。“如果希格斯出现在125 GeV,这也将与没有超对称粒子且没有弦理论迹象的标准模型一致,”斯特拉斯勒说。

尽管如此兴奋,希格斯的任何初步迹象都可能后来被证明是统计上的偶然事件。毕竟,CMS和ATLAS探测器无法直接捕获希格斯玻色子;这些粒子会在LHC的质子碰撞中产生后立即衰变成其他粒子。相反,物理学家必须分析衰变产生的亚原子碎片并重建发生了什么。每秒发生数千次碰撞,其中许多碰撞会产生与希格斯类似的信号。“我们不知道是否存在希格斯的原因主要与希格斯玻色子的衰变看起来像其他类型的物理学有关,”莱肯说。“所以我们需要充分理解其他类型的物理学。这不仅仅是统计问题。”

专家说,无论下周的公告是否会实现,最终答案迟早会揭晓:一旦实验积累了足够的数据,他们要么会找到希格斯玻色子并了解其特性,要么会最终证明它不存在。“这只是何时发生的问题,”莱肯说。“不会是可能-是-可能-否的答案。”

*更正(12/8/11):这句话在发布后进行了编辑。它最初错误地陈述了质子的质量。

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