后“上帝粒子”時代：基礎(chǔ)物理何去何從
來源：中國科學(xué)報 2014-2-26 丁佳
2月23日晚，清華大學(xué)報告廳座無虛席。充滿了好奇心的聽眾翹首以盼，想看看今夜會有怎樣的“大咖”蒞臨現(xiàn)場。
這同樣是世界物理學(xué)界的一場盛事。自從被譽為“上帝粒子”的希格斯粒子被科學(xué)家找到后，基礎(chǔ)物理學(xué)來到了一個全新的十字路口。國際高能物理研究，特別是高能量前沿研究也迎來關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折期。人們相信，發(fā)展方向的選擇將影響未來50年高能物理的發(fā)展。
當(dāng)晚，包括諾貝爾獎得主在內(nèi)的數(shù)位世界一流物理學(xué)家來到這個由清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院高能物理所、中科院理論物理所、中國科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合舉辦的論壇，商討后“上帝粒子”時代基礎(chǔ)物理學(xué)的未來發(fā)展。
回味美妙時刻
“上帝粒子”已經(jīng)跟人類捉了半個世紀(jì)的迷藏。
1964年，英國物理學(xué)家彼得•希格斯在論文中提出了一種粒子場的存在，認(rèn)為這種粒子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，其他粒子在這種粒子形成的場中游弋并產(chǎn)生慣性，進(jìn)而形成質(zhì)量，再構(gòu)成大千世界。
可直到2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）才宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。2013年，諾貝爾物理學(xué)獎毫無爭議地頒給了希格斯粒子的預(yù)言者——弗朗索瓦•恩格勒以及希格斯本人。
作為CERN大型強子對撞機CMS實驗組的發(fā)言人，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授約瑟夫•英坎德拉可能是最接近幸福的人。在那個激動人心的時刻，正是他代表實驗組宣布了希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)。“作為實驗物理學(xué)家，我最大程度地享受了這一過程。實驗極其困難，歷時20余年、60個國家參與，具有極大的挑戰(zhàn)性。各國的年輕人積極參與該實驗，并作出了很多貢獻(xiàn)。”
加州大學(xué)伯克利分校教授村山齊也承認(rèn)，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)讓他非常激動。“首先這個實驗太困難了。另外，我其實一直不相信它會被發(fā)現(xiàn)，因為這個粒子實在是太奇怪了。”村山齊說，“當(dāng)然，最后的結(jié)果證明我錯了。”
“上帝”給物理學(xué)家的另一個機會
有人將“上帝粒子”稱為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的基石。在諾貝爾物理學(xué)獎得主杰拉德•特•胡夫特看來，標(biāo)準(zhǔn)模型現(xiàn)在應(yīng)該叫作“標(biāo)準(zhǔn)理論”。
“可退回幾十年，我們不僅沒有標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至都無法想象會有這樣的理論出現(xiàn)。科學(xué)正是通過許多‘偶然’的發(fā)現(xiàn)而取得突破的。”他說，“希格斯粒子被稱為‘上帝粒子’，但我們不認(rèn)為它是上帝的反映，我們更傾向于認(rèn)為希格斯粒子是人類成功認(rèn)識自然規(guī)律的反映。標(biāo)準(zhǔn)模型是一個偉大而美麗的模型，但它也不是完美的。在很高能量或很小尺度下，標(biāo)準(zhǔn)模型就有可能被修正。”
美國科學(xué)院院士、中科院外籍院士丘成桐也覺得，現(xiàn)在物理學(xué)界迎來了一個“上帝”賜給的良機，那就是建造一個更大型的對撞機，探索更多的物理現(xiàn)象。
下一站，中國
在此次論壇中，多位物理學(xué)家都將中國視為下一個希望所在。普林斯頓高等研究院教授、菲爾茨獎獲得者愛德華•威騰直言：“現(xiàn)在正是中國成為這一領(lǐng)域領(lǐng)袖的最好時機。”
實際上，中國科學(xué)家也在夢想著一個宏大的計劃。中科院高能物理所所長王貽芳透露說，中國科學(xué)家在2012年提出了建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對撞機并適時轉(zhuǎn)為質(zhì)子—質(zhì)子對撞機的方案，在國際上引起巨大反響。
“現(xiàn)在的北京正負(fù)電子對撞機大約還有8年的科學(xué)壽命，我們必須提前5～10年策劃新的科學(xué)裝置。”王貽芳告訴《中國科學(xué)報》記者，“有了下一代環(huán)形正負(fù)電子對撞機，科學(xué)家就能進(jìn)行更高精度的測量和更大能量的探索。”
這一全新的大科學(xué)裝置能量可達(dá)240千兆電子伏，約相當(dāng)于現(xiàn)在北京正負(fù)電子對撞機的60倍。它將瞄準(zhǔn)希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后對撞機實驗的核心前沿物理問題，精確測量希格斯粒子的性質(zhì)，搜索標(biāo)準(zhǔn)模型背后更基礎(chǔ)的物理規(guī)律。
諾貝爾物理學(xué)獎得主、美國科學(xué)院院士大衛(wèi)•格羅斯也為中國人的夢想感到興奮。他將這一計劃稱為“中國偉大加速器”。“它會和萬里長城一樣引人矚目，但會比萬里長城的作用更大。”
“只有世界最先進(jìn)的科研項目，才能吸引青年學(xué)者和世界頂級科學(xué)家來工作，這符合國家的人才戰(zhàn)略。自從CERN擁有世界最大、最先進(jìn)的加速器后，歐洲就代替美國成為世界高能物理研究的中心。”王貽芳說，“希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，中國也有了一個機會，我們利用成熟的環(huán)形加速器技術(shù)建造一個希格斯工廠，研究世界上最先進(jìn)的課題。只有搞清楚希格斯粒子的性質(zhì)，才有可能了解粒子物理未來的方向。”
