对撞机的基本原理,是通过消耗大量能源给粒子加速,再让两束具有巨大动能的粒子对撞。能量越高,粒子相互轰击时发生的作用就越大,越容易产生希格斯粒子。此前费米实验室的Tevatron(万亿电子伏特加速器)和欧洲的电子对撞机从上世纪80年代开始运行,一直没找到希格斯粒子,后来发现就是因为能量太低。因此LHC从一开始就寄托着寻找希格斯粒子的最后希望。
科技日报:去年CERN格兰萨索实验室过早公布未经验证的“中微子超光速”错误结论,引起了学界的一些批评。这次CERN和费米实验室如此“高调”地公布发现新粒子,是否也有追求轰动效应,甚至说在欧债危机下争取公众支持、争取科研经费的考虑?
陈国明:此次所用的数据截止到今年6月中旬,而6月底就要完成数据处理,得出结论。这次公布结果,可以说在时间上确实很赶,很紧张,主要原因是为了在7月7日在澳大利亚开幕的世界物理学大会之前发布,在会上迎接全球同行的审议。另一方面恐怕也有争取公众支持的因素。
但与无心得出“中微子超光速”结论的OPERA项目不同,LHC的主要目的就是为了寻找希格斯粒子,自从2010年3月开始运转以来也取得了这一阶段所需的数据,而数据积累越多,实验灵敏度就越高,越有可能做出发现。应该说今年收获结果不算晚也不能算早,在预期时间之内。
此外,每个实验都从两个独立衰变到找到这个新粒子,而每个衰变道都有多个独立的研究小组得到一致的结果、CMS和ATLAS两个实验都取得了一致的研究结果,2012年的结果也与2011年的一致,加上确定性水平达到5西格玛(在统计学上为“真”的比率是99.99994%),出现“乌龙”的可能性应该说还是很小的。
至于美国费米实验室公布的结果,在灵敏度和价值上要低于LHC,而且他们的Teratron加速器去年底已经关闭了,这次是对以前数据重新分析。
科技日报:目前CERN也尚未确认这次发现的新粒子就是希格斯粒子,您认为要真正确认“上帝粒子”已经找到,还需要做哪些工作?
陈国明:虽然这次发现新粒子的一些特征,比如产率(出现几率)、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合,但现在统计性太少,还不能确定这个新粒子的各种特性,因此这次也可能发现的是另一种新粒子。
以目前取得的数据,要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够,仍然需要更多的实验数据积累。可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机,才能更仔细、准确地验证这个结果。不过要建这个对撞机,耗资会相当于数百亿人民币,跟LHC差不多,需要国际合作来实现。
并非所有物质理论模型都给“上帝粒子”留了位置,为了物理学的未来,必须搞清楚它的存在与否
科技日报:既然希格斯粒子被称为物理学家梦寐以求、苦苦寻觅的“圣杯”,为什么霍金此前坚持认为希格斯粒子不存在?为什么前几年寻找希格斯粒子的过程中,时常会出现一些怀疑之声?
陈国明:其实在物理学界,并不是所有人都相信希格斯粒子必定存在。像我是做实验物理的,此前也确实不完全相信它的存在。但毕竟希格斯粒子的存在与否,事关物理学标准模型的根基。无论相信、反对还是怀疑希格斯粒子的存在,大家都希望尽快把这个问题弄清楚,因此才会投入这么大的项目进行研究。
在理论物理学领域,标准模型并不是唯一的金科玉律。其他还有像超对称理论,认为存在多种希格斯粒子,且与标准模型当中的希格斯粒子有很大不同;而霍金等一些科学家则支持超弦理论,这种理论能把包括引力在内的自然界全部4种基本作用力统一起来,这是标准模型和超对称理论做不到的;但超弦理论中并没有希格斯粒子的位置。正因为这个,霍金才会出100美元跟人打赌说希格斯粒子并不存在,不过他打输了。