发现希格斯意味着什么:林道诺贝尔奖得主会议,第三天

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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。”

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。”

Mariette DiChristina, Steering Group chair, is dean and professor of the practice in journalism at the Boston University College of Communication. She was formerly editor in chief of 大众科学 and executive vice president, Magazines, for Springer Nature.

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