具備更高能量的LHC將于2015年投入使用　

　　LHC的CMS探測(cè)器 圖片來源：CERN 

　　如果某種粒子看上去很像希格斯粒子，且性質(zhì)也很接近，那么它很可能就是標(biāo)準(zhǔn)的希格斯玻色子。這是歐洲核子研究委員會(huì)（CERN）利用大型強(qiáng)子碰撞型加速裝置（LHC）得出的最新研究結(jié)果。物理學(xué)家一直在嘗試描繪于2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。到目前為止，每一項(xiàng)測(cè)試都證實(shí)這種新發(fā)現(xiàn)的粒子非常符合標(biāo)準(zhǔn)粒子物理學(xué)模型所描述的希格斯玻色子。希格斯粒子理論最早于1964年由Robert Brout、Francois Englert和Peter Higgs 3人共同提出，除了Brout于2011年逝世失去領(lǐng)獎(jiǎng)資格外，另外兩人都于2013年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

　　事實(shí)上，科學(xué)家一直在迫切地探尋該理論的偏差，因?yàn)檫@可能會(huì)將物理學(xué)帶入一個(gè)新階段。例如，如果希格斯玻色子衰變的速度與模型所預(yù)期的速度存在細(xì)微不同，那么這意味著還有另一種全新的未知粒子參與到衰變過程中。不過，最新研究結(jié)果并沒有找到有未知粒子參與到衰變過程的證據(jù)。

　　下一階段，具備更高能量的LHC將于2015年早期投入使用，為科學(xué)家提供更多的研究機(jī)會(huì)。通過LHC，科學(xué)家或許能建立新的物理學(xué)理論，從而更全面地解釋整個(gè)宇宙。美國(guó)萊斯大學(xué)物理學(xué)家Paul Padley負(fù)責(zé)LHC的緊湊緲子線圈（CMS）實(shí)驗(yàn)，他說：“希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)并不是結(jié)束，而是新研究的開始。我們接下來10年的工作就是詳細(xì)研究希格斯玻色子?！?/p>

　　物理學(xué)家剛開始利用LHC研究希格斯粒子時(shí)，主要是通過它衰變成為其他玻色子的過程加以鑒別。希格斯粒子能衰變成為規(guī)范玻色子，后者是攜帶能量的粒子，例如攜帶電磁力的光子；希格斯粒子還能衰變成W玻色子和Z玻色子，它們攜帶有弱作用力?，F(xiàn)在，CMS的研究者在《自然—物理學(xué)》上報(bào)告稱發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子衰變成為費(fèi)密子的證據(jù)，后者為一類粒子，例如電子和夸克，原子便由它們組成。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)希格斯粒子會(huì)衰變成為費(fèi)密子，但卻沒有事先就對(duì)此作出定論。

　　科學(xué)家認(rèn)為希格斯玻色子與不可見的遍布全宇宙的希格斯場(chǎng)有關(guān)，粒子在希格斯場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，與希格斯場(chǎng)相互作用從而獲得質(zhì)量。最初發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子能夠衰變成為其他類型的玻色子證明了希格斯場(chǎng)能與玻色子相互作用?，F(xiàn)在，最新研究則證明希格斯場(chǎng)也能與費(fèi)密子相互作用。該發(fā)現(xiàn)證明了一個(gè)科學(xué)設(shè)想，科學(xué)家可以用一種單一的標(biāo)準(zhǔn)希格斯玻色子模型解釋所有粒子獲得質(zhì)量的方式。但還有一些假設(shè)認(rèn)為，希格斯玻色子不僅只有一種，希格斯場(chǎng)也不是只有一個(gè)，每一種希格斯玻色子和希格斯場(chǎng)都與一些特定的粒子相互作用，給予粒子質(zhì)量。

　　匹茲堡大學(xué)理論物理學(xué)家Ayres Freitas說：“最新發(fā)現(xiàn)并沒有排除存在其他希格斯玻色子的可能性，但它有力證明標(biāo)準(zhǔn)模型需要作出調(diào)整。此外，也可能全宇宙只存在兩種希格斯玻色子，大多數(shù)情況下它們‘通力協(xié)作’，共同給予粒子質(zhì)量?！?/p>

　　LHC下一階段的研究將為物理學(xué)家提供更多數(shù)據(jù)，他們也許能證明或者排除存在多種希格斯玻色子的可能性。就目前來說，物理學(xué)家還不確定希格斯玻色子衰變成為費(fèi)密子的速度。此外，他們對(duì)于希格斯場(chǎng)與費(fèi)密子相互作用的強(qiáng)烈程度也所知甚少。Freitas說：“這種相互作用的強(qiáng)烈程度可能與標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)計(jì)的程度有出入，這種偏差可能就是第二種希格斯玻色子存在的線索?！比绻渌N類的希格斯玻色子確實(shí)存在，具備高能量的LHC或許有能力將它們描繪出來。

　　當(dāng)LHC初次投入使用時(shí)，它所能輸出的最大能量為8兆電子伏特，升級(jí)后，其所能輸出的最大能量可達(dá)13兆電子伏特——這得益于超導(dǎo)磁體技術(shù)的改進(jìn)，使加速器長(zhǎng)度達(dá)到27公里，在地下圍成一個(gè)圓環(huán)。更強(qiáng)大的磁場(chǎng)促使質(zhì)子以更快速度進(jìn)入加速器圓環(huán)內(nèi)，確保當(dāng)它們對(duì)撞爆炸時(shí)能產(chǎn)生更強(qiáng)磁力。升級(jí)后的LHC還將這些對(duì)撞的質(zhì)子束縛得更緊密，讓光束更密集——物理學(xué)上將之稱為“亮度”更大，這樣能促使質(zhì)子對(duì)撞得更猛烈?？偠灾?，物理學(xué)家希望下一階段LHC轉(zhuǎn)化的希格斯玻色子的數(shù)量是原先未升級(jí)時(shí)轉(zhuǎn)化數(shù)量的300倍。

　　Freitas說：“更高的轉(zhuǎn)化率意味著物理學(xué)家能更準(zhǔn)確地衡量希格斯玻色子的性質(zhì)。例如，新研究數(shù)據(jù)能揭示希格斯場(chǎng)與多種粒子相互作用的強(qiáng)烈程度，例如玻色子和費(fèi)密子，這一速度或許是原先預(yù)想的2倍甚至3倍。升級(jí)后的LHC為我們提供了機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)原先發(fā)現(xiàn)不了的東西，不過我們對(duì)這些未知事物的性質(zhì)一無所知?！?/p>

　　標(biāo)準(zhǔn)模型沒有將粒子的超對(duì)稱性涵蓋在內(nèi)，該理論認(rèn)為它是每一種已知粒子的基礎(chǔ)特性，即每一種費(fèi)密子都應(yīng)當(dāng)有一種玻色子與其對(duì)應(yīng)。一旦該理論成立，這將為物理學(xué)打開一片新天地。到目前為止，還沒有研究能證實(shí)這種超對(duì)稱性存在，但升級(jí)后的LHC本身就能創(chuàng)造出這種超對(duì)稱性粒子。就算LHC沒能做到這點(diǎn)，它也能以微妙的方式證明該性質(zhì)的存在。例如，當(dāng)希格斯玻色子衰變成為各種粒子時(shí)，這些與之對(duì)稱的粒子可能會(huì)以量子“幻影”的模式呈現(xiàn)——時(shí)而出現(xiàn)時(shí)而消失。如果科學(xué)家能更準(zhǔn)確地衡量希格斯玻色子的衰變速度，他們將更容易證實(shí)這種超對(duì)稱性是否存在。

　　Padley說：“一些科學(xué)研究的真諦不在于什么重量級(jí)的新發(fā)現(xiàn)，而在于糾正那些我們?cè)敬嬖谡J(rèn)知偏差的理念?！?/p>

　　標(biāo)準(zhǔn)模型也沒有考慮到暗物質(zhì)的存在?？茖W(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是一種不可見的粒子，它不與普通粒子相互作用，不過暗物質(zhì)是整個(gè)宇宙質(zhì)量的最大組成部分。費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室CMS研究者、伊利諾伊大學(xué)的Richard Cavanaugh說：“希格斯玻色子與其他粒子相互作用給予后者質(zhì)量，因此希格斯玻色子也許能與暗物質(zhì)粒子相互作用。”如果希格斯粒子真的能衰變成為暗物質(zhì)粒子，它們將在研究者毫不知情的情況下脫離出LHC。盡管研究者無法直接探測(cè)到它們，但暗物質(zhì)粒子的脫離會(huì)體現(xiàn)在剩余粒子的減少上，這種減少能從側(cè)面證明暗物質(zhì)粒子的存在。

　　歸根結(jié)底，沒有人知道LHC將會(huì)帶來什么，但科學(xué)家非常期待各種未知的可能性。Cavanaugh說：“此時(shí)此刻，覺得能成為一名物理學(xué)家真的是太美好了，一想到我的工作，每天早上我都會(huì)笑醒。”（段歆涔）

　　《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2014-07-09 第3版 國(guó)際)