作者:Edwin Cartlidge,来自《自然》杂志
今年对希格斯玻色子的搜寻工作即将结束。10月30日,位于日内瓦附近欧洲粒子物理实验室CERN的大型强子对撞机(LHC)结束了其2011年质子-质子碰撞运行,该运行旨在搜寻这种难以捉摸的粒子,据信这种粒子赋予了其他基本粒子质量。
但物理学家们相信,到2012年底,在实验于3月恢复后,对撞机将收集到足够的数据,以确定希格斯玻色子是否存在。事实上,他们说,是否存在的强烈暗示可能已经存在于已收集的数据中。“我们正在进入希格斯搜寻的黄金年,”LHC的CMS实验发言人Guido Tonelli说,CMS实验是用于搜寻希格斯玻色子的探测器之一,“在接下来的几个月里,我们或许能够发布重要的信息。”
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希格斯暗示
已经出现了一些诱人的暗示。7月,CERN的ATLAS和CMS实验报告了一些“超出预期事件”,表明在质子-质子碰撞产生的碎片中可能存在希格斯玻色子(参见希格斯暗示,但仅此而已)。但到了8月,随着更多数据的分析,这些事件是由于希格斯玻色子引起的可能性,而不是仅仅是数据中的统计波动,已从2.8西格玛(对应于超过99%的可能性为“真实”)降至2西格玛(约为95%的可能性为真实),与人们期望的方向相反(参见希格斯信号逐渐消失)。
与8月份相比,现在的数据量增加了一倍,意大利帕多瓦大学的粒子物理学家、CMS团队成员Tommaso Dorigo表示,他“愿意打赌几块钱”,7月份报告的少量超出预期事件表明希格斯玻色子的质量约为120吉电子伏特,这些事件确实是由希格斯玻色子引起的。他估计,如果他是对的,那么到明年年初分析完2011年的数据时,超出预期事件的显著性将增长到约3西格玛(5西格玛的显著性值是明确声称发现希格斯玻色子的最低标准)。“这不足以声称一项发现,”他说,“但足以说服大多数物理学家这种效应是真实的。”
加州大学圣地亚哥分校的Vivek Sharma负责CMS的希格斯搜寻工作,他指出,CMS和ATLAS的结果已经以2西格玛的置信度排除了希格斯玻色子的质量在约145至400吉电子伏特之间,而LHC的前身,大型正负电子对撞机,排除了希格斯玻色子的质量低于约114吉电子伏特。因此,如果希格斯玻色子存在,几乎可以肯定它位于两者之间的间隙中。根据Sharma的说法,一旦质子-质子碰撞在3月份恢复,2012年将收集到的额外数据将使CERN的科学家能够“在这个质量范围内找到希格斯玻色子,或者将其排除”。
坚持标准模型
除了希格斯玻色子尚未现身之外,迄今为止LHC的结果尚未指向任何超出“标准模型”的新物理学。被称为Bs介子的粒子的衰变模式(由一个“底”夸克和一个“奇异”夸克组成)仍然符合标准模型的预测,而不是与其扩展,例如“超对称”——一类理论认为每个已知的粒子都有一个奇异的、尚未被看到的伙伴。事实上,物理学家现在认为,最简单、最流行的超对称版本可能是不正确的(参见美丽的理论与惊人的粒子数据相冲突)。“数据不如人们希望的那么令人兴奋,”法国奥赛巴黎-南大学的粒子物理学理论家Adam Falkowski承认。
在希格斯搜寻中取得积极成果或许对CERN来说是一个更明显的公关成功,但对于Falkowski来说,一个消极的结果会更令人兴奋,因为他认为,这将“肯定意味着新的物理学”。他解释说,目前尚不清楚新的物理学可能是什么,并指出像希格斯玻色子这样的粒子可能仍然存在,但其他尚未发现的粒子导致它以意想不到的方式衰变。他表示,另一种更激进的可能性是,弱力和电磁力之间的对称性破缺(据信希格斯玻色子对此负责)可能反而由一组全新的、非常强大的力来完成,这种力由一种称为“技术色”理论描述。
“如果标准模型是正确的,那么作为理论家,我们就没什么可做的了,但如果找不到希格斯玻色子,那么一个全新的可能性世界将会打开,”Falkowski说。