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捕捉“上帝粒子”,中国出了大力(图)

陈和生院士

捕捉“上帝粒子”,中国出了大力(图)

欧洲核子中心捕捉“上帝粒子”实验所用的“紧凑型缪子线圈”探测器设备

捕捉“上帝粒子”,中国出了大力(图)

欧洲核子中心捕捉“上帝粒子”实验所用的“紧凑型缪子线圈”探测器设备

捕捉“上帝粒子”,中国出了大力(图)

该探测器示意图

捕捉“上帝粒子”,中国出了大力(图)

7月18日下午,本报记者一行如约走进中科院高能物理研究所陈和生院士办公室,就欧洲核子中心近日发布寻找希格斯玻色子最新进展进行专题采访。作为欧洲核子中心大型强子对撞机实验CMS和ATLAS物理研究的首席科学家,陈和生一直致力于相关科研实验和组织协调,工作异常繁忙。实际上,这是他就此专题第一次接受媒体采访。

中国科学家全程参与

“希格斯玻色子提出于1964年,其动机是为了自洽地赋予其他基本粒子以质量。它是粒子物理标准模型迄今尚未得到验证的关键一环,而后者自上世纪70年代建立以来,已经成为人类认知亚原子核尺度微观世界的成功理论,相关工作多次获得诺贝尔物理学奖。”北京大学技术物理系高能物理实验组副教授李强解释了寻找这个粒子的动机。“但是,问题在于,希格斯提出的假定中,只表明这个粒子是存在的,但并没有预言质量究竟是多少,因此寻找这个粒子已经花费很多年了。”陈院士解释为何希格斯玻色子这般难找。

那么,中国科学家是从何时开始参与到这个项目中的呢?“就这个粒子的探索过程而言,中国科学家是全程参与者。”陈院士这样回答,“在不同的阶段,中国科学家参与探测器的硬件建设和实验数据分析以及物理研究,总人数接近100人。”在中国科技部、中国科学院、中国国家自然科学基金委员会三家联合支持下,中科院高能物理研究所从一开始就参与了探测器的设计和建造,并协同来自北京大学、中国科技大学、山东大学、南京大学的中国科学家们在仪器研制、设备调试、数据分析等方面作出了重要贡献,在欧洲核子中心赢得了良好的国家声誉。

据悉,在实验过程中,万亿次以上对撞才能产生一个希格斯玻色子,并且这种粒子寿命十分短暂,因此,寻找该粒子最主要的过程是“抓住”希格斯玻色子衰变产生的光子。中国组在这次寻找的过程中,特别是在用多变量分析方法区分信号与本底、提高希格斯玻色子寻找的灵敏度方面,提出了一项非常重要的方案,比去年采用美国组方法的灵敏度要高3%,大大提高了整个团队的工作效率。此外,CMS实验这次寻找希格斯玻色子的数据分析最后综合以及合作组内部报告是由一名30来岁的中国人完成的,他是中国高能物理研究所培养的青年物理学家。

中国制造问鼎欧洲核子中心

除了在后期分析时中国人承担了举足轻重的角色之外,在探测器的建设阶段,中国也做了不小的贡献。如CMS探测器,总量为12500吨,中国承担了其上1/3的端盖以及部分桶部μ探测器阴极条室和阻性板室的研制测试等任务。欧洲核子中心对中国制造的仪器评价很高。“我们做的一些设备得了金奖,质量是过硬的。同类探测器运行到现在,我们研制的性能最好。”陈院士在提起这些仪器时十分骄傲。

在探测器建设中,中国加强了同世界各国的合作,获取了共享资源。通过这些国际合作,我国也加强了国内队伍的合作,发展了自己的技术。如中国科学院上海硅酸盐研究所制造的钨酸铅晶体是重要贡献之一,“这是国际上顶尖的技术,中科院上海硅酸盐研究所在这个领域上非常有经验,完成了这项非常有挑战性的任务。并且,通过国际合作,我们承担探测器的建设,这些技术也用到了我们国内应用中。”

那么中国是否会继续参与国际项目呢?“我们将会继续参加粒子物理领域的国际合作,外界对中国的期望也很高。但是我们现在想做的是继续努力完成自己领土上的实验。”陈院士对中科院高能物理研究所未来方向如是作答。自上世纪70年代周总理批示中科院高能物理研究所成立以来,这里的科学家们承担了北京正负电子对撞机等多个大科学装置的建造,成功组织了北京谱仪实验、大亚湾中微子实验等“以我为主”的大型实验,并参与了多项高能物理科学前沿的国际合作,在国内外均深受好评。

新粒子验证仍需时日

那么,近期欧洲核子研究中心发现的新粒子是否是寻觅已久的“上帝粒子”呢?CMS实验组的发言人乔·因坎迪拉代表在7月4日的发布会上称发现了疑似“上帝粒子”的新粒子,并表示:“这是一个初步的结果,但我们认为这个结果非常有力。”据称,此次发现的新粒子能量在125至126千兆电子伏特左右,这意味着该粒子的质量是质子的125至126倍。

新粒子的质量已经确定,而且在统计学上有极高的确定性。那么,为何不敢确认这就是最终的希格斯玻色子呢?“我们看到的是类似粒子,这是因为这个粒子的信号太弱,1万亿中才一个,目前得到的数目太少。并且,这个粒子是否就是希格斯教授提出来的那种,还需要大量的验证。现在有一种模型是‘超对称模型’,该模型中也有一种希格斯玻色子,但其性质与‘标准模型’中的希格斯玻色子的性质并不相同。这两种粒子的性质不同,衰变也不同。因此,对这次发现的新粒子究竟是哪一种粒子还需要多年的验证。”陈院士对记者发表了个人看法,“目前需要增加统计性,看到更多的粒子。预计在今年年底,这一结果可以出来。至于究竟是什么粒子,还需要更长时间,甚至于还要再造一个加速器。我认为,只要它是一个新的粒子,那么就是很大的突破。”据了解,欧洲核子研究中心目前已经计划对加速器进行进一步改造。

热议“上帝粒子”

“在希格斯玻色子之后是一个广阔的世界,等待着新一代科研人员的探索和发现。对我来说,这证实了我在48年前做过的一些事情。我从没想到在我有生之年能够看到这一切,真是难以置信。”

——英国爱丁堡大学教授 彼得·希格斯

“超级LHC有望大大延伸新的物理学所能达到的边界,同时让我们进行一些更加精准的测量实验,例如,厘清暗物质的属性等。”

——ATLAS探测器的负责人、英国利物浦大学 菲尔·奥尔波特

“这个重要的发现应该能为希格斯赢得诺贝尔奖”

——英国剑桥大学教授 史蒂芬·霍金

“谢谢你,大自然!”

——瑞士日内瓦召开发布会女发言人

“没有基础科学,就没有应用科学,也就没有服务于我们生活的各种新技术和新产品。现在还无法预料新粒子的研究将来会有什么实际用途,但它无疑会深化人类对物质本质的理解,为科学技术的持续发展开拓新的前景。找到新粒子绝不是实验的终止,而是新的开端,今后的工作将更多、更艰巨,意义也更深远。大型强子对撞机将继续运行20年以上,科研人员会通过不懈努力,争取在探索未知世界的漫长旅程中取得更多成果。”

——北京大学物理学院教授 钱思进

“希格斯粒子是一种理论上预言的能解释其他粒子质量起源的新粒子。”

——中科院高能物理研究所研究员、CMS中国组负责人 陈国明

“如果最终确认为‘上帝粒子’,那么这将是人类探索自然过程中的一大步,使我们能站在一个新的高度,思考我们身处的这个宇宙。”“从科学意义上讲,发现‘上帝粒子’比人类登上月球更重要。”

——中国科学技术大学教授 刘衍文

希格斯玻色子(链接)

希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。希格斯机制及粒子物理的标准模型,是有效描述那个世界的基本法则,是宏观世界相关物理现象的内在原因。该理论最早是在1964年由6位物理学家共同提出来的,其中就包括英国爱丁堡的皮特·希格斯教授。他们当时提出这一粒子的目的就是为了解释为何其它粒子会拥有质量。“上帝粒子”是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。根据这一理论,在宇宙大爆炸之后,一种看不见的力,即希格斯场和与之相对应的粒子——希格斯玻色子一同形成,正是这个场赋予其它基本粒子以质量的属性。

7月4日欧洲核子研究中心召开发布会,公布其寻找希格斯玻色子的最新进展。据称,欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的两个独立的实验ATLAS和CMS都在近5标准差的统计显著度上观察到一种质量为125GeV的新粒子。在统计和系统误差范围内,在不同的搜索渠道中得到的结果与标准模型希格斯玻色子的预期一致。然而,还需要更多的数据去测量该粒子的特性,如不同衰变道(γγ, ZZ, WW, bb 和 ττ)中的衰变率,和最终该粒子的自旋和宇称,从而认定它确实是标准模型希格斯玻色子,还是超出标准模型的新物理的产物。到 2012 年底,预期将收集到的数据样本总量会翻 3 倍多,由此将进一步探索这种新粒子的本性。如果此 125GeV 新粒子确实是标准模型希格斯玻色子,它的特性和对标准模型的影响将被仔细地研究。如果它不是标准模型希格斯玻色子,CMS 将探索其中隐含的新物理的本质,那可能包括 LHC 上可能观察到的其他新粒子。


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