本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。
几年前,据媒体广泛报道,英国著名物理学家史蒂芬·霍金公开打赌,认为大型强子对撞机(LHC)及其之前的所有粒子加速器永远不会发现希格斯玻色子,这个被认为是宇宙早期赋予大质量粒子质量的“上帝粒子”。
他的声明在全球物理学界引起了轰动。苏格兰物理学家彼得·希格斯的名字与这个假设粒子联系在一起(希格斯在 20 世纪 60 年代做了一些工作,其他几位物理学家也做了相关工作,为赋予质量的玻色子的理论存在铺平了道路)。他个人接受了挑战,抱怨霍金,后来又感叹,回答霍金的挑战“就像批评已故的戴安娜王妃”。
事实上,过去十年来对物理学家的非正式民意调查显示,绝大多数人认为希格斯粒子的存在是必然的结论,所需要的只是让大型强子对撞机运行足够长的时间:希格斯最终会出现。霍金以其有争议和反传统的言论而闻名,被认为只是在炫耀自己的影响力。
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但是希格斯玻色子一直没有出现。自 2010 年 3 月 31 日以来,大型强子对撞机以 7 万亿电子伏特的前所未有的能量水平持续运行,一直在积累 PB 级的数据,这些数据正在由全球互联的计算机网格进行分析,以寻找这个缺失的玻色子。昨天,8 月 22 日,在印度孟买塔塔基础研究所举行的两年一度的轻子-光子相互作用国际研讨会上,一颗重磅炸弹被抛出:欧洲核子研究中心(CERN)的科学家宣布,在对撞机探索的整个能量范围内——从 1450 亿到 4660 亿电子伏特——希格斯玻色子以 95% 的概率被排除在外。
寻找希格斯粒子是一项统计搜索,涉及到观察大型强子对撞机内部质子高能碰撞产生的粒子,测量它们的能量和飞行方向,以及其他参数,并试图评估这些粒子中的一些是否可能来自碰撞产生的希格斯玻色子的衰变。这些评估带有概率度量,例如 95%、99% 或者——粒子物理学传统上对关于新粒子存在的“明确”结论的要求:99.99997%(这就是臭名昭著的“五西格玛”要求)。
可以肯定的是,昨天在孟买提出的新的否定结果的性质是不同的。它们表明,以 95% 的概率,希格斯粒子在大型强子对撞机迄今探索的 1450 亿到 4660 亿电子伏特的能量范围内不存在。不存在的概率并不高——仍有 5% 的可能性希格斯粒子隐藏在这个能量范围内的某个地方。更重要的是,费米实验室通过早期实验确定,可能蕴藏希格斯粒子的 1140 亿到略低于 1450 亿电子伏特的较低能量范围尚未被排除。但是希格斯粒子正在迅速失去藏身之处。较低的能量水平较小的加速器(例如费米实验室的 Tevatron 和 CERN 的大型强子对撞机的前身 LEP)也可以访问,但两个对撞机都没有找到它。也许希格斯根本不存在。
因此,虽然欧洲核子研究中心至少在今年年底之前将继续寻找希格斯粒子,但如果没有任何关于希格斯粒子的积极结果出现,那么正如其所说,与整个物理学界对赌的史蒂芬·霍金将能够兑现他的赌注。在这种情况下,国会可能会认为,尽管其在 1993 年取消美国替代欧洲核子研究中心的超导超级对撞机的决定普遍遭到美国物理学界的懊恼,但它可能毕竟是正确的举动:花费数十亿美元的纳税人资金来寻找一种可能不存在的粒子将是浪费的。
但是,如果希格斯粒子不存在,那么宇宙中的质量从何而来?可能需要超越粒子物理学“标准模型”(希格斯是其基石,是解释我们所知道的宇宙如何形成的缺失的一环)的理论。史蒂文·温伯格在他关于电磁力和弱力统一的 1967 年具有里程碑意义的论文中,曾关键地利用希格斯粒子“打破对称性”并将电磁力与弱力分开。此后,他在研究中超越了标准模型。温伯格提出了一种名为“技术色”的理论,在这种理论中,我们宇宙的原始对称性可以通过不同于难以捉摸的希格斯粒子的作用的机制来打破。但是,要证明技术色理论的有效性,可能需要比大型强子对撞机所能提供的能量水平更大的能量水平,同时也要花费同样天文数字的成本。