现存的一些理论也许并不完善,粒子物理学就是这样——科学家提出的用于描述自然界形成的标准模型存在着缺陷,其中的一个原因是对质量产生的解释缺乏有力的证据。现在粒子物理界关注的一个焦点就是,弄清楚到底是何种物质扮演了如此重要的角色。
如果没有质量,宇宙将成为一群以光速运动的粒子的海洋,这是任何无质量粒子的自然运动状态。这样粒子将很难聚合在一起,即使是分子也将很少见;银河,恒星和行星也不可能形成,生命更是如此。为此,物理学家希望找出究竟是什么使宇宙能按现有的方式演化的。
物理学家正在寻找一种叫做希格斯的玻色子。这种粒子是由爱丁堡大学的彼得·希格斯(Peter Higgs，上图)首先提出的。他过去曾尝试解释为什么某些玻色子(一种传递基本力使物质聚在一起的粒子)没有质量而另一些却拥有很大的质量。例如光子,它传递电磁力却没有质量;而传递短程力的W-玻色子质量却很大。然而到目前为止,希格斯粒子仍是一个难以琢磨的谜。
为了寻找希格斯粒子,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家正在建造一台名为大型强子对撞机的粒子加速器(LHC,将于今年年底建成),届时它将成为世界上最大的粒子对撞机。但是,LHC可能会在美国费米国家加速器实验室现存的世界上能量最高的粒子对撞机——万亿电子伏加速器——面前功败垂成。
原因是在过去的数月中,万亿电子伏加速器已经得到了一些有趣的结果。去年12月,进行该项目研究的科学家宣布,他们已经精确地测得了W-玻色子的质量,W-玻色子在理论上是一种与希格斯粒子质量有着错综复杂联系的粒子。实验结果表明,W-玻色子质量比预料中的要重,这就意味着希格斯粒子可能比预想的要轻。同时,物理学家利用万亿电子伏加速器测量了另一类粒子——顶夸克的质量,也得到这种粒子比理论预言的重,这同样预示了可能存在着一种轻质量的希格斯粒子。
为了适应新的观测结果,就必需对现有的标准模型进行修改。方法之一就是引入一种被称为“超对称”的思想。这种理论表明,每一种标准模型描述的已知粒子,都对应着一种未被探测到的伴随粒子,其作用是使已知粒子的物理特性能保持精确的稳定性。某些版本的超对称理论预言了几种不同的希格斯玻色子,但具有的质量各不相同,其中一种被称为“最小超对称模型”的理论也预言了轻希格斯粒子的存在。
粒子质量越大,由质能方程E=mc2构成它所需要的能量越多。因此,物理学家期望建造一台能量更高的加速器,以适应更大质量范围的粒子研究。然而,如果是轻希格斯粒子,也许仍在万亿电子伏加速器的测量范围内。
最近几周,科学家在万亿电子伏加速器做了两次实验,实验的数据曲线上出现了不同寻常的拐点,这令很多的科学家兴奋不已。通常,曲线上出现拐点就表示某处出了错,但是,如果所有的误差源都被消除后仍有拐点出现,这将可能意味着某种新的粒子的产生。
物理学家是严谨的,至少在他们所公开的声明中是这样的。而目前,尚没有足够的数据能够判断,这些曲线的拐点是否真的是希格斯粒子的存在标志。然而,在费米国家加速器实验室里明显潜伏着一股压抑着的兴奋,他们曾经提出的超导超级对撞机计划因耗资过于巨大而流产,这在他们心中留下了阴影。如果美国科学家真的赶在LHC之前找到了希格斯粒子,那他们在斯德哥尔摩摘取诺贝尔奖时,嘴角一定会挂着嘲讽的微笑。
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解答宇宙之谜的机器将启动
科学家预言,世界上功能最为强大的物理实验室将会解答很多我们想都不敢想的问题。今年晚些时候,这项耗资80亿美元、名为大型强子对撞机(LHC)的科学实验将开始陆续发现物理学史上几个最难解之谜的线索。
物理学界在十年前提出了一系列难解的问题:物质为何会有质量?每个粒子是否有一个看不见的“伴侣”?但在这十年里,物理学家提出了很多有关宇宙如何形成的理论。如果一切进展顺利,大型强子对撞机或能揭开众多令人吃惊现象之谜,从而验证宇宙起源和结构的新理论正确与否(大型强子对撞机埋在瑞士日内瓦地下100米深的一条长16.8英里的环形隧道中)。
美国加州大学欧文分校理论物理学家乔纳森·冯表示,大型强子对撞机的碰撞可能会产生神秘、无形的暗物质。天文学家认为,宇宙中80%的物质都是暗物质。大型强子对撞机项目规划者最初肯定没有意识到暗物质这个问题。乔纳森教授表示:“在大型强子对撞机项目提出之时,科学家当时对这种机器有助于解答这个宇宙哲学问题完全没有任何概念。”
这同样适用于寻找多余的空间维数。多年来,寻找多余的空间维数被认为已超出了现代实验技术能力范围。尽管如此,理论学家日前讨论了通过大型强子对撞机发现间接证据的可能性。佛罗里达大学物理学家康斯坦丁·马切夫说:“大家不会看到额外的维数。”他解释说,诸如电子等粒子在穿过多出来的空间时,会忽然间变得大而重。马切夫及同事将会为那些搬弄是非的“重量增加”探寻相关数据。
即便大型强子对撞机未能揭开上述物理现象之谜,它仍旧会被视作具有里程碑意义的成功。按照大多数物理学家的说法,“希格斯玻色子”(亦称“上帝粒子”,可能形成了物质的质量)的发现就几乎确保了这种成功。更为重要的是,大型强子对撞机将会产生宇宙大爆炸之后便不复存在的条件和能量水平。这意味着大型强子对撞机也许能产生连物理学家想都没想到的现象。乔纳森说:“科学的最大奥妙在于,你永远不知道大自然将来向我们展示它的哪一面。”
宏伟的粒子对撞机计划
继欧洲核子研究中心(CERN)打造大型强子对撞机(LHC)后,物理学家又开始设计它的后继者。据称,这台名为“国际直线加速器(ILC)”的对撞机花费为82亿美元,ILC的首批数据将于本世纪20年代中后期产生。
ILC由两部分组成(见图),每一部分长约为12千米,其中一部分用于电子加速,另一部分则用于加速其反粒子-正电子。正反粒子束在加速器中心发生碰撞,其携带的能量将远远高于现存世界上任何其他加速器所能提供的能量。
邻近的两台探测器将捕捉撞击产生的新粒子所留下的痕迹,这些粒子包括大量的希格斯玻色子和质量巨大的超对称粒子——物理学家希望统一自然界的相互作用力(电磁力,引力等)而构建一种万有的统一理论。一台拥有像ILC如此大能量的对撞机也许可以帮助他们实现这个愿望。同时,ILC有望捕捉到神秘的暗物质的信息,这种物质的分布遍及整个宇宙,其总量远远超过了我们熟悉的可见物质。
为了减少震动带来的影响,已确定将ILC建在地下隧道中,然而,具体将建于何处仍悬而未决。目前有三个设计方案已被提出:第一个方案是美国费米国家实验室提出的,理由是费米实验室附近的地质条件适宜于加速器的建设;第二个方案是欧洲核子研究中心提出的,方案的依据是可以充分利用它们现有的建筑设施;而第三个方案的优点是日本花岗岩结构的山区可以为加速器的稳定性提供方便。不过,谁赢得主办权,都将承担ILC的大部分费用。