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上帝粒子现身 99.9999%确定解宇宙之谜

2012-07-05  不易齋   |  转藏
   
被喻为「上帝粒子」、是一切物质质量之源的希格斯玻色子(Higgs Boson),在科学家追寻近半世纪后终于现身!欧洲核子研究组织(CERN)昨宣布,发现一种微细粒子,其「性质与希格斯玻色子一致」,简单来说就是已找到希格斯玻色子,CERN形容新发现是「了解宇宙的新里程」。

1964年提出希格斯玻色子理论、如今已83岁的英国物理学家希格斯(Peter Higgs)昨亲临CERN见证这历史时刻。他说﹕「我从来没有想过这会在我有生之年发生,(我)会请家人雪一些香槟(庆祝)。」与他分开发表有关理论的79岁比利时物理学家恩勒特(Francois Englert)亦激动得眼泛泪光。

质量之源 现代物理学关键

科学家一直都想了解物质的质量从何而来,以及为何一些物质如光线不含质量。直到希格斯提出理论,假设有一种神秘粒子(也就是希格斯玻色子)赋予万物质量、令各式粒子能够凝聚起来,现代粒子物理学的「标准模型」理论,才得以自圆其说。根据希格斯的理论,一些粒子遇上希格斯玻色子,结果就慢下来并得到质量,但像光一类粒子则没有。

不过希格斯玻色子却是「标准模型」62种基本粒子中,唯一仍未发现的。由于它难以寻觅又极为重要,因此被称作上帝粒子。追寻上帝粒子由去年起渐入高潮,CERN运用全球最大的强子对撞机(LHC),进行无数次的质子与质子高速对撞,模拟宇宙大爆炸瞬间的状,终发现希格斯玻色子存在的蛛丝马。

香港大学物理系的潘振声博士向本报解释,粒子物理学领域以统计学的标准误差(sigma)概念,去计算实验的准确度,一般来说大于5个sigma(误差少于350万分之一)才算是发现。去年底,CERN的科学家就公布,希格斯玻色子质量介乎115至130GeV/c2(衡量粒子质量单位)之间的可能性,有2.4个sigma,意即准确度达98%,但仍未达到5个sigma的科学认证水平。

直至昨天,CERN两组独立研究队ATLAS和CMS公布实验结果,指希格斯玻色子质量在125至126GeV/c2(相当于光子质量逾130倍)的可能性,达到4.9至5个sigma。5个sigma意即实验出错机会小于350万分之一(即准确度达99.99998%)。即使只以4.9个sigma而论,这数字意味,实验搞错的机会率只有0.00006%。

意义如60年代登月计划

有科学家将今次发现,与1960年代的阿波罗登月计划相提并论。根据学术性的讲法,科学家只是找到与希格斯玻色子「性质一致」的新粒子,要确定「新粒子」就是希格斯玻色子,还需要更多实验数据,但CERN秘书长霍尔(Rolf Heuer)直言:「作为普通人,我会说已经找到(希格斯玻色子)。」根据「标准模型」预测,希格斯玻色子只能在短时间内保持完整,之后会衰变为不同粒子。专家会透过更多强子对撞机实验,研究这些变化是否符合「标准模型」中的希格斯玻色子假设。

霍金輸百美元賭注 希格斯諾獎在望

對於CERN發現希格斯玻色子,英國著名物理學家霍金昨形容,這是一個重大成就,「希格斯應獲諾貝爾」,「但這有點可惜,因為物理學的大突破,往往來自一些給我們帶來意想不到結果的實驗。但無論如何,我似乎賭輸了100美元」。

霍金2008年曾押注100美元,跟人打賭歐洲強子對撞器(LHC)找不到希格斯玻色子,還說「如果沒發現它,會更令人興奮,那就表示(現有物理學理論)某些地方出了錯,必須重新思考」。霍金這番話惹來希格斯不悅,反批霍金研究「做得不夠好」,「他把粒子物理學的理論與重力學扯在一起,沒有任何一位理論學派粒子物理學家會認為這是正確的。」

1964年7月16日,希格斯在愛丁堡大學的圖書館,閱讀一篇與他的觀點完全不同的文章,一種想法「開始產生」。幾天後,他回到辦公室,關於粒子如何獲得質量的理論,已在腦中成形。之後兩周,他開始撰寫兩篇有關希格斯玻色子的論文,它們後來成了現代粒子物理學的基礎,但諷刺的是,當年他的論文,卻被設在CERN的《歐洲物理學快報》編輯退回,經修改過後,才獲美國《物理評論通訊》採用。

爭尋「上帝」 歐捷足先登挫美

質量是物體中含有多少物質的度量,如果沒有質量,構成現有物體的基本粒子,都將以光速移動,宇宙間的物質就不能凝聚起來。這就是科學家一直希望印證希格斯玻色子存在的原因。尋找希格斯玻色子的唯一方法,就是哂么笮蛷娮訉ψ矙C,把兩個質子束加速到接近光速,相互對撞,從而撞出只有在極高能量狀態下才能產生的基本粒子。擁有這種強大儀器,目前就只有歐洲和美國。

歐美在尋找「上帝粒子」的競賽中,一直希望搶先對手,在實驗中達到5個sigma的「發現」級準確度。在CERN公布結果前夕,美國能源部屬下的費米國家加速器實驗室亦宣布,他們的最新數據「強烈表明」希格斯玻色子的存在,但仍未達到5個sigma的級數。

粒子物理學領域,美國與歐洲一直互有領先,競爭如此激烈,皆因這關乎美國和歐洲的科學權威,若美國科學家搶先發現希格斯玻色子,將會為其近代科學領域取得的主要成就,畫上完美句號。若被歐洲捷足先登,將被視為對美國的一次打擊。CERN在1980年代準備籌建大型強子對撞機(LHC)時,就把證實「上帝粒子」存在視為奮鬥目標,在LHC在2010年啟用前,美國費米的Tevatron一直是全球最強大的對撞機,惟最後始終敗在歐方手上。

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