本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)国际关系主管费利西塔斯·保斯要求在场的年轻科学家举手:谁在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机或LHC上使用过ATLAS或CMS仪器?很多人都举手了。谁是理论家?更多人举手——总共有数百人。最后,对这个领域普遍感兴趣的人呢?现在,拥挤的礼堂里所有人都举起了手臂。
随着宣布发现了一种类似希格斯玻色子的粒子,今天在德国举行的林道诺贝尔奖得主会议上是重要的一天,今年的会议重点是物理学。这个年度会议,已经是第62届,汇集了诺贝尔奖得主和年轻科学家,进行为期数天的讲座和友好交流。人们热切期待的发现希格斯样玻色子,激发了在场获奖者的多种情绪:既有欣喜,也有满足,渴望解决它提出的令人困惑的额外问题,甚至,在一种情况下,感觉这一切“有点虎头蛇尾”。希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中缺失的一环,已被寻找了30年。
“对我来说,对整个物理学,对整个人类来说,今天都是伟大的一天,” 戴维·格罗斯说,他因发现强相互作用理论中的渐近自由而分享了2004年的诺贝尔奖。“我一整天都无法停止微笑。” (格罗斯还担任《大众科学》的顾问。)
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在新闻发布会和随后的专题讨论中,几位获奖者就研究结果发表了自己的看法。为了使他们的评论更易于浏览,我将这篇文章组织成问答形式。
(您可以在深入报道中阅读我们本周对林道会议的所有报道,包括与会年轻科学家的“30岁以下30人”系列文章。另请参阅林道诺贝尔社区博客。)
那么我们得到了什么?
简而言之,结果虽然是初步的,但高度确信地指向了一种类似希格斯的粒子的存在。(有关置信度和其他信息的更多详细信息,请参阅“大型强子对撞机揭示出一种类似长期寻找的希格斯玻色子的新粒子”以及我们与哥伦比亚大学的约翰·帕森斯进行的在线聊天。)
“这不是那个希格斯玻色子,而是一个希格斯玻色子,”格罗斯说。要成为标准模型最简单版本中预期的希格斯玻色子,研究人员需要确定两件事,这两件事尚未测量,但可能会在LHC计划在维护停机前进行的额外三个月实验中找到:玻色子称为自旋的固有属性的预期量,以及与它耦合的粒子质量成正比的衰变率。
“这些是非常初步的结果,”卡洛·鲁比亚说,他因促成W和Z玻色子的发现而分享了1984年的诺贝尔奖,并曾担任欧洲核子研究中心的主管。尽管如此,他还是称它们为“一个重要的里程碑”。结果比预期的与“最简单”的标准模型相符的结果要大。“也许大自然决定换个思路,”他在谈到理论描述时说,或者也许额外的实验运行会使图像更加清晰。为此,LHC现在将再运行三个月,然后关闭进行计划中的两年维修;当它重新启动时,它将能够以更高的能量运行。
他说,今天的发现启发了乔治·斯穆特,他因发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而分享了2006年的诺贝尔奖,来做出弥补:“一年前,我对理论家没有寻找额外的解决方案持批评态度,”他认为他们“过于坚持模型的最简单形式”。他说他现在想道歉。(“我原谅你,”格罗斯说,引起了一阵笑声。)“你所看到的是一个想法的力量,”斯穆特谈到这个理论时说。“在某种意义上,这将是诗意的。”
斯穆特指出,结果的置信度标准非常高,尽管额外的实验应该会进一步提高置信度:“我们现在的情况是,我们可能更多地受到概念性错误的影响,而不是实验性错误的影响。”
马丁努斯·韦尔特曼,因阐明电弱相互作用的量子结构而分享了1999年的诺贝尔奖,被问及为什么他看起来没有其他人那么兴奋。“对我来说,这有点虎头蛇尾,”他说。“我还能说什么呢?”他似乎听天由命地要继续工作,说在希格斯的结果得到证实之前,可能没有其他事情可做了。在研究标准模型理论计算时,他补充说,“我曾试图在没有希格斯的情况下生活,”尽管“在模型中要付出相当大的代价。但是可以做到。”
这项发现是一个时代的结束还是一个新时代的开始?
“两者都是,”格罗斯说。结果加强了标准模型,但也提出了新的问题。“现在我们有机会探测我可能称之为希格斯领域的领域,这是一个新领域。这仅仅是个开始。LHC是一个20年的项目。LHC只记录了实验过程中将要记录的事件的约2%。”
“我们相信物理学不会止步于此,”鲁比亚说。“有越来越多更难的问题。”
我们在结果中看到了超越标准模型物理学的迹象吗?
“在某种程度上,是的,”格罗斯说,他认为这实际上已经在12月的公告中发生了,结果排除了希格斯可能存在的巨大能量和质量范围。
“作为一名实验主义者,”鲁比亚评论道,“我更愿意让大自然来决定。”
欧洲核子研究中心的约翰·埃利斯通过视频连线露面,他希望最终确认超对称性,这是一个理论上存在的基本粒子的影子世界。“今天的研究结果非常开放地表明,可以在LHC中发现超对称性,”他说。在超对称性中,可能存在总共五个希格斯玻色子。“我主要说,当LHC在维护后处于更高能量时,超对称性将成败在此一举。” “我仍然在坚持,希望出现超对称性。”
研究结果是否适用于宇宙学?
是的,斯穆特说:“自从我小时候,就像你们这个年龄一样,我们就开始相信大爆炸是正确的模型。我认为粒子物理学与宇宙学相关,并且它是解释[诸如]暴胀、重子不对称、暗物质、加速宇宙等难题之一。”标准模型帮助他们进行必要的计算。“粒子物理学对宇宙学中发生的事情具有真正的直接影响。你不能把它们分开。我一直认为这两个领域将会合并。”
LHC之后,科学家接下来应该做什么?
格罗斯说,电子和正电子的线性对撞机将更容易测试粒子的特性,“但这在10到20年内不太可能实现。也许这个结果为建造一个线性对撞机提供了动力。”无论如何,“实验主义者,正如他们今天所证明的那样,都非常聪明,”用他们拥有的仪器梳理出微小的信号。
“在LHC之后,发现一些东西——当然我希望它不是那个希格斯玻色子——肯定会将希格斯工厂提上议事日程”,以便找到更多这样的粒子进行分析,埃利斯说。“但是,在看到LHC的高能量值运行几年之前,不应确定议程。一个既可以成为希格斯工厂又可以做其他事情的东西,我对它会很感兴趣,”他说。
这项发现会获得诺贝尔奖吗?
“我们已经得到了!”格罗斯说,引起了感激的轻笑声。鲁比亚指出,一些诺贝尔奖颁发得很快,但在其他情况下,需要长达40年的时间。“这是物理学中的一个里程碑,值得诺贝尔委员会给予最高重视,”他补充说。
格罗斯最终建议:“忘掉诺贝尔奖。今天的兴奋不是关于奖项,而是关于发现以及我们对真实世界日益增长的理解。”
您如何看待人们称希格斯玻色子为“上帝粒子”?
“这是一个非常糟糕的术语,”格罗斯说。“它与那毫无关系。”鲁比亚补充说:物理学家莱昂·莱德曼,他在一个稍微长且更生动的版本中创造了这个表达方式,他有“一种独特的幽默感”,我们应该用“同样的幽默感”来使用这个术语。
大约有4000人从事这些实验。所有的时间和费用都值得吗?
“绝对值得!”格罗斯宣布。“看看你们的兴趣就知道了。”
鲁比亚补充说:“这也表明了非常大的社群是如何协同工作的。”