几家欢喜几家愁

（文 / 苗千）

( 美国费米实验室的三层希格斯玻色子探测器 )

每年的圣诞夜，在剑桥大学国王学院已经关闭的大门前，都会有一群人排成一条长队，他们带着睡袋，要在寒风中度过圣诞夜，为的是第二天早上可以领到一张门票，在圣诞节欣赏国王学院唱诗班演唱的圣诞颂歌。像是收听女王的圣诞节致辞一样，虽然人们可以通过英国广播公司的直播在电视上欣赏国王学院唱诗班的表演，但很多人仍宁愿通宵受冻排队来拿到一张可以在现场欣赏的门票。

2012年7月3日，类似场景出现在了欧洲核子中心的会议室里，这个会议室被来自世界各地的人们坐满，他们通宵睡在这里，等待在第二天，2012年7月4日早上9点举行的欧洲核子中心新闻发布会。物理学家们显然是最不善于保守秘密的一群人，早早泄露了这个新闻发布会的内容，不过这只会让人们更加的激动。三位科学家：英国爱丁堡大学的皮特·希格斯（Peter Higgs）、比利时布鲁塞尔自由大学的弗朗索瓦·格勒特（Fran?ois Englert）与来自英国帝国理工学院的汤姆·基布尔（Tom Kibble）都被邀请来参加这次新闻发布会，这使得发布会的内容更无悬念。在1964年，这三位科学家分别发表论文，建立了一种包含所有基本粒子的模型，同时分别预测了一种性质独特的“玻色子”的存在。因为希格斯发表的时间最早，这种特殊的玻色子被俗称为“希格斯玻色子”，后来它得到一个更为夸张的外号——“上帝粒子”。如今这三位科学家被同时请到欧洲核子中心参加新闻发布会，意义不言自明，每个人想到的都是同一个话题：“上帝粒子”被找到了！

新闻发布会上，在大型强子对撞机（LHC）的CMS和ATLAS探测器工作的两组科学家进行了漫长的背景介绍和数据展示，之后，欧洲核子中心的研究总监罗尔夫·霍伊尔（Rolf Heuer）终于总结道：“我想我们找到它了。”此言一出，在场的每个人都显得非常激动，会场里响起了掌声和欢呼声，坐在前排的皮特·希格斯摘下眼镜，擦了擦眼睛。英国粒子物理学家布莱恩·考克斯（Brian Cox）认为，这将是被载入史册的一天。每个人都有理由感到激动和骄傲，在被预言存在将近50年后，被人类苦苦寻找了20多年，人类历史上最昂贵也最复杂的机器——大型强子对撞机经过两年多的寻找，终于找到了希格斯玻色子（或者说是目前看来极为类似于希格斯玻色子的一种基本粒子），完善了已建立几十年的标准粒子模型，也开启了物理学的新时代。在科学家们构建的“标准粒子模型”中，一共预言了62种基本粒子的存在，其中的61种早已被找到，而最重要的赋予其他基本粒子质量的希格斯玻色子，却是直到最后才被找到。这说明，标准粒子模型可以成为一种比较值得信赖的物理学基本理论，人类对于宇宙的了解进一步加深。标准粒子模型不光包含了基本粒子，还描述了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用（但是不包括引力和暗物质），它描述了宇宙最早期的情景：在宇宙大爆炸最早期，一切基本粒子都没有质量，以光速运动。这一现象没有持续太久，在十亿分之一秒之后，希格斯玻色子产生并且充满了整个宇宙空间，它随着宇宙的膨胀而弥漫在宇宙，大多数基本粒子因为与希格斯玻色子相碰撞而被拖曳，速度变慢，因此拥有了质量（光子因为不与希格斯玻色子发生相互作用而不拥有质量，仍然以光速运动）。希格斯玻色子的存在，让人们确信了之前对于宇宙早期状态的推测。

尽管欧洲核子中心关于探测希格斯玻色子数据的具体报告要到2012年7月底才会发表，但希格斯玻色子的真实存在已经以极高的可信度被证实。史蒂芬·霍金教授因为之前与朋友打赌说相信不会发现希格斯玻色子而又输掉了100美元。对此，他表示，许多科学上的重大突破正是从看起来不可能的地方实现的，他也认为这个发现足以确保皮特·希格斯教授获得今年的诺贝尔物理奖（但是谁与他分享这个荣誉现在来说还是个难题）。人们虽然未必可以完全理解这些物理理论的细节，但是现在似乎人人都成为粒子物理学家，所有人都对“希格斯玻色子”感兴趣，这种热潮，可能只有在第二次世界大战之后，广义相对论被实验验证之后引发的民众狂热的兴趣可以相比。在欧洲核子中心成为焦点、全世界都在讨论希格斯玻色子热潮的背后，是大型强子对撞机两年多来的运转、无数质子数以万亿次的对撞，和欧洲核子中心6000多名科学家的辛勤工作。

按照计划，在发现了希格斯玻色子之后，大型强子对撞机将会以同样的功率继续运转到2012年底再进行短暂休整，然后进行质子与铅离子的对撞实验，之后它将会被关闭，进行升级改造。当它再次开启时，这个庞然大物的功率将有可能提高到现有功率的百倍，它必然会再一次吸引全世界的目光，探索新的未知领域。

( 英国爱丁堡大学的皮特·希格斯50年前预言了希格斯玻色子的存在 )

科学界焦点的转换与其他领域一样迅速，随着希格斯玻色子被发现，现在可能已经没有太多人记得半年多之前由意大利的OPERA实验报告的另一个震惊世界的消息：由来自10多个国家的160多名科学家们进行的OPERA实验探测到，由日内瓦出发旅行到意大利的中微子，速度超过了光速。如果这个结果被证实，那么将意味着爱因斯坦的相对论所限定的光速为宇宙中最快速度的法则被打破，物理学的基础理论将需要重大修改，无数物理学家们为此感到十分兴奋，期待新理论的出现。但是这一次奇迹并没有发生，2012年6月8日，在日本京都举行的2012世界中微子大会上，OPERA终于正式宣布，推翻之前的结论，在这段从瑞士到意大利的旅程中，中微子仍然受相对论的制约，并没有超过光速。之前测量中微子的速度超过了光速，是由于“光纤计时系统发生故障”，实际上，中微子在以极为接近光速的速度运动，如果与以光速运动的光子赛跑，在这段距离上中微子会落后0.0000000016秒（1.6纳秒）。对此，欧洲核子中心研究主任塞尔吉奥·贝特鲁西（Sergio Bertolucci）并没有感到太失落，反而有些释然，他说：“尽管结果不如一些人预料的那么兴奋，却是我们在内心都深深希望的那样。”

在OPERA工作的科学家达里奥·奥蒂耶罗（Dario Autiero）并不认为测量中微子的速度是浪费时间，他认为，实际上，这是人类第一次以如此高的精度来测量中微子，这也证明了中微子具有极其微小的质量，这可能意味着标准粒子模型需要进行修改（标准粒子模型预测中微子的质量为零）。同时，经过了这次波折，OPERA实验也回归到它最开始的目标：探测中微子的转变。

( 布鲁塞尔自由大学的弗朗索瓦·格勒特 )

中微子属于一种“轻子”，它又分为Muon中微子、Tau中微子和电子中微子三种。科学家们发现，这三种中微子之间可能会相互转变，这种现象被称为“中微子振荡”，这可能正是在宇宙中正物质多于反物质的关键原因，与欧洲核子中心进行合作的OPERA实验正是为了探测Muon中微子在飞行中转变为Tau中微子这一现象。经过5年时间的建造，2008年OPERA实验开始运行，2010年OPERA第一次发现了在一束含有数十亿Muon中微子中存在一个转变了的Tau中微子，这当然是一个了不起的发现，但很显然，他们需要观测到更多这样的转变。

在2012年6月，OPERA位于地下1400米的格兰·萨索（Gran Sasso）实验室探测器又一次发现了Muon中微子到Tau中微子的转变，这个消息固然令人振奋，但是仍然不够。为了能证明他们确实观测到了Muon中微子转变为Tau中微子这一现象，他们将需要观测到至少6次，目前没有人知道这会需要多长时间，而目前在日本的T2K中微子探测器则已经观测到了10次Muon中微子转变为电子中微子。尽管付出了很多努力，在这个研究领域，科学家们仍然面对许多未知的困难。

希格斯玻色子被发现的历程虽然漫长复杂，却堪称理论物理学家与实验物理学家合作的经典故事，更是人类进行科学探索时其坚强意志的体现。与此相比，人们对中微子振荡的探索尚显年轻并且前景不明，这项探索最终会取得怎样的结果，会给人们带来什么启示，至今没有人知道。在人类进行科学探索的历程中，类似发现希格斯玻色子给人们带来狂喜的故事并不多，更多的是实验失败给人们带来的失望和迷茫。在进行科学探索时，一个实验未必一定要“成功”或是取得理想中的结果，有时候实验“失败”或是得到意料之外的结果可能会带给人们更多的启示，开启一片新的研究领域，这也正是科学的魅力所在。 欢喜几家愁几家