在2012年發(fā)現(xiàn)希格斯粒子之前，粒子物理學(xué)家曾經(jīng)有過(guò)兩次噩夢(mèng)：一個(gè)是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）無(wú)法產(chǎn)生任何新的粒子，如果真是這樣，那么它可能是最后一個(gè)用來(lái)研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的大型加速器了；另一個(gè)問(wèn)題則在于，LHC的用途除了發(fā)現(xiàn)物理學(xué)家彼得·希格斯在1964年預(yù)測(cè)的希格斯粒子之外，似乎就沒(méi)有什么其它作用了。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，每當(dāng)我們解決了一個(gè)問(wèn)題，揭開(kāi)了它背后神秘的面紗，又會(huì)有許多新的問(wèn)題涌現(xiàn)出來(lái)。因此，每個(gè)重大的科學(xué)突破，除了其自身的成果外，往往還會(huì)帶來(lái)更多需要解決的新問(wèn)題。但盡管如此，這些科學(xué)突破本身能為我們繪制出一幅尋找問(wèn)題答案的藍(lán)圖。希格斯粒子的成功發(fā)現(xiàn)，以及希格斯場(chǎng)的證實(shí)（在量子世界中，每個(gè)粒子都與一個(gè)場(chǎng)相關(guān)聯(lián)，希格斯粒子也不例外），是對(duì)20世紀(jì)物理學(xué)一個(gè)大膽預(yù)測(cè)的驗(yàn)證。

不過(guò)，謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）的話依然是正確的：希格斯場(chǎng)就像一個(gè)“馬桶”，這個(gè)“馬桶”里隱藏著很多我們無(wú)法解釋的混亂細(xì)節(jié)。當(dāng)大多數(shù)粒子穿越其中時(shí)，會(huì)與其發(fā)生相互作用，產(chǎn)生阻力來(lái)減緩它們的行動(dòng)，并賦予它們質(zhì)量，使它們“看起來(lái)很重”。因此，盡管通過(guò)基本粒子我們可以描述整個(gè)世界，然而我們所測(cè)量到的基本粒子的質(zhì)量就像是一種“幻覺(jué)”，測(cè)量的過(guò)程其實(shí)也伴隨著一定的偶然性。

粒子相互作用   繪圖：Jonathan Feldschuh

希格斯理論的概念非常簡(jiǎn)潔，它本質(zhì)上是對(duì)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的特別補(bǔ)充。這個(gè)模型解釋了四大基本相互作用力（弱相互作用力、強(qiáng)相互作用力、引力、電磁相互作用力）中的三種，以及這些力與物質(zhì)的相互作用。希格斯場(chǎng)被引入到理論中，使得我們能準(zhǔn)確地解釋這個(gè)世界。但這并不是標(biāo)準(zhǔn)模型理論所要求的內(nèi)容。宇宙本可以由沒(méi)有質(zhì)量的粒子和弱相互作用力構(gòu)成。

這時(shí)候我們不禁要問(wèn)，為什么會(huì)存在希格斯粒子呢？為什么希格斯粒子有質(zhì)量呢？（每當(dāng)科學(xué)家問(wèn)“為什么”，他們真正想表達(dá)的是“怎么會(huì)這樣”。）如果希格斯粒子不存在，那么我們看到的這個(gè)世界也不會(huì)存在，但顯然這并不成其為一個(gè)解釋。研究希格斯粒子背后物理意義的終極目的就是解釋為什么我們會(huì)存在。當(dāng)我們問(wèn)：“為什么我們會(huì)存在？”，我們想表達(dá)的更深層意思是：“為什么希格斯粒子會(huì)存在？”然而，標(biāo)準(zhǔn)模型并沒(méi)有給出我們想要的答案。

但是，理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合給了我們一些提示。1974年，在標(biāo)準(zhǔn)模型的基本結(jié)構(gòu)確立不久后（其一些細(xì)節(jié)在接下來(lái)的十年中才被實(shí)驗(yàn)證實(shí)）, 格拉肖和史蒂夫·溫伯格（Steven Weinberg）所在的哈佛大學(xué)的兩個(gè)物理學(xué)研究團(tuán)隊(duì)注意到了一些有趣的事。格拉肖和哈沃德·喬吉（Howard Georgi）合作，完成了格拉肖迄今為止最偉大的研究：他們?cè)诂F(xiàn)有的粒子和力之間尋找新的模型，并利用群論尋求新的可能性。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，自然界中的弱相互作用力和電磁相互作用力可以在較高的能量尺度上統(tǒng)一，物理學(xué)家把這兩種力統(tǒng)稱為“電弱相互作用力”。這意味著弱相互作用力和電磁相互作用力可以用相同的數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)，它們都被相同的數(shù)學(xué)對(duì)稱性約束著，都是同一個(gè)更深層理論的不同表現(xiàn)形式。但是，希格斯場(chǎng)引起對(duì)稱性自發(fā)破缺，希格斯場(chǎng)只與傳遞弱作用的粒子發(fā)生相互作用，而不與傳遞電磁力的粒子發(fā)生相互作用。這種“自然的意外”使得這兩種力在我們可測(cè)量的尺度內(nèi)看上去就好像是兩種完全不同的作用力——弱相互作用在較短的距離起作用，而電磁相互作用力在較遠(yuǎn)的距離上起作用。

格拉肖和哈沃德·喬吉試圖將這一思想擴(kuò)展，把強(qiáng)相互作用包含進(jìn)來(lái)，他們發(fā)現(xiàn)，所有已知的粒子和除引力之外的三大基本作用力可以自然地都裝進(jìn)一個(gè)基本的對(duì)稱結(jié)構(gòu)里。隨后他們推測(cè)，這種對(duì)稱性可能在遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)范圍的一些超高能量級(jí)別上（和短距離尺度內(nèi)）自發(fā)地破缺，留下兩個(gè)獨(dú)立且不同的完整對(duì)稱性——產(chǎn)生了獨(dú)立的電弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力，隨后，在較低的能量和較大的距離尺度下，電弱對(duì)稱性破缺，電弱相互作用力分離成短程的弱相互作用力和長(zhǎng)程的電磁相互作用力。

他們“謙虛地”將這個(gè)理論稱為大統(tǒng)一理論（GUT）。

與此同時(shí)，溫伯格和哈沃德·喬吉發(fā)現(xiàn)了有趣的事。雖然強(qiáng)相互作用力在較小的距離尺度上會(huì)變?nèi)酰请姶畔嗷プ饔昧腿跸嗷プ饔昧s在此時(shí)變得更強(qiáng)。

火箭科學(xué)家們對(duì)這三種力在某些尺度上是否相同并不感興趣，因?yàn)樗麄冴P(guān)注更多的是，火箭能否發(fā)射升空以及如何改進(jìn)火箭的性能。當(dāng)他們進(jìn)行計(jì)算時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些力是可以統(tǒng)一的，但是僅僅在比質(zhì)子的尺寸小15個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)才能統(tǒng)一。

如果統(tǒng)一理論真的是哈沃德·喬吉和格拉肖所提出的這種理論，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)好消息，因?yàn)槿绻覀冇^察到的所有粒子都是這樣統(tǒng)一的，那么在夸克（由質(zhì)子和中子組成）與電子、中微子的轉(zhuǎn)變之間存在著一種新的粒子（稱為規(guī)范玻色子）。 這意味著質(zhì)子可能會(huì)衰變成其他更輕的粒子，而且我們也能探測(cè)到這些新粒子。正如格拉肖所說(shuō)的那樣“即使鉆石化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，它也無(wú)法永恒不變”。

雖然質(zhì)子會(huì)衰變，但是質(zhì)子必須有一個(gè)令人難以置信的長(zhǎng)壽命。這是因?yàn)槲覀冊(cè)诖蟊?40億年之后還能存活，而且我們不會(huì)在孩童時(shí)期就死于輻射。如果質(zhì)子的平均壽命小于10¹⁸年，那么我們?cè)谕甑臅r(shí)候就會(huì)被體內(nèi)的質(zhì)子衰變產(chǎn)生的輻射殺死。在量子力學(xué)中，事件發(fā)生具有概率性，如果質(zhì)子的平均壽命為10¹⁸年，假設(shè)人體有10¹⁸個(gè)質(zhì)子，那么平均每年就會(huì)有一個(gè)質(zhì)子在人體內(nèi)衰變變并產(chǎn)生輻射，進(jìn)而危害我們的身體。但是，我們的身體里不僅僅只有10¹⁸個(gè)質(zhì)子，所以質(zhì)子的壽命肯定大于10¹⁸年。

然而，由于大統(tǒng)一理論中提到的距離尺度非常小，因此與對(duì)稱性自發(fā)破缺相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量尺度非常大，也就是說(shuō)，規(guī)范玻色子將獲得較大的質(zhì)量。這些規(guī)范玻色子使得他們參與的相互作用過(guò)程的尺度變得極小，以至于在質(zhì)子和中子的尺度上，這些相互作用非常微弱。因此，即使質(zhì)子會(huì)衰變，人還是可以存活的，如果上述條件成立，也許質(zhì)子的平均壽命可能有10²⁴年，即使是這樣，你還是可以順利長(zhǎng)大成人的。

經(jīng)過(guò)格拉肖、喬吉、奎恩和溫伯格等人努力，空氣中似乎彌漫著“大一統(tǒng)”的味道。在電弱統(tǒng)一理論成功提出之后，粒子物理學(xué)家們雄心勃勃，準(zhǔn)備進(jìn)一步統(tǒng)一四大基本相互作用力。

然而，如何知道這些理論是否正確呢？當(dāng)時(shí)還無(wú)法建造出一臺(tái)可以探測(cè)比質(zhì)子的能量（質(zhì)能方程換算出靜止質(zhì)量下質(zhì)子的能量）高約10¹⁵數(shù)量級(jí)能量的加速器，這樣的加速器的周長(zhǎng)必須有月球軌道那么長(zhǎng)。但是，即使我們可以制造出這樣的加速器，鑒于之前超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）失敗的教訓(xùn)，沒(méi)有誰(shuí)是會(huì)為此買單的。

幸運(yùn)的是，我們還有其他的解決方案，通過(guò)我剛剛提到的質(zhì)子壽命極限的論證也可以解決問(wèn)題。如果新的大統(tǒng)一理論能夠預(yù)測(cè)出質(zhì)子的平均壽命，比如說(shuō)10³⁰年，那么如果在一個(gè)探測(cè)器中放入10³⁰個(gè)質(zhì)子，平均每年我們就能探測(cè)到有一個(gè)質(zhì)子發(fā)生衰變。

那么，我們到哪里尋找數(shù)量如此龐大的質(zhì)子呢？答案很簡(jiǎn)單：大約3,000噸水。

我們要做的是將一大罐水放在黑暗的環(huán)境中，確保周圍沒(méi)有輻射，然后在這罐水周圍布置好極其敏感的光電探測(cè)器，它們可以探測(cè)質(zhì)子衰變過(guò)程中放出的光。一切準(zhǔn)備就緒之后，我們所要做的就是靜靜地等待質(zhì)子發(fā)生衰變。世界上有兩臺(tái)這樣大型的實(shí)驗(yàn)裝置，一個(gè)位于伊利湖旁邊的鹽礦地下深處，還有一個(gè)在日本的上岡縣附近的礦井里。選址在礦山是必要的，因?yàn)榈V山會(huì)屏蔽宇宙射線，這些宇宙射線會(huì)干擾質(zhì)子衰變產(chǎn)生的信號(hào)。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）   繪圖：Jonathan Feldschuh

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室于1982-1983年間采集數(shù)據(jù)。大統(tǒng)一理論如此迷人，物理學(xué)們相信信號(hào)很快就能出現(xiàn)，而大統(tǒng)一理論意味著十多年來(lái)物理學(xué)的巨大成就，它將把粒子物理學(xué)的發(fā)展推向頂點(diǎn)，格拉肖等人也可能因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

然而，不幸的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有讓物理學(xué)家們稱心如意。第一年、第二年甚至是第三年，探測(cè)器都沒(méi)有探測(cè)到信號(hào)。哈沃德·喬吉和格拉肖的想法就這么被否定了。但是，一旦大統(tǒng)一理論出現(xiàn)問(wèn)題，物理學(xué)家們就不會(huì)輕易放過(guò)這些棘手的“刺猬”。他們提出了一些其他的大統(tǒng)一理論，用以解釋為什么質(zhì)子衰變超出了這些實(shí)驗(yàn)所能觀測(cè)到的極限。

然而，1987年2月23日，發(fā)生了另一件事件，證明了我的格言幾乎是普遍適用的：每當(dāng)我們打開(kāi)宇宙之窗的時(shí)候，我們都會(huì)對(duì)窗外的事物感到驚訝。那天，一群天文學(xué)家在夜間獲得的照相板中觀察到超新星爆炸，這是近400年來(lái)觀察到的距離我們最近的超新星爆炸。這顆超新星距離我們大約有160,000光年，它位于麥哲倫星系。

如果我們關(guān)于恒星爆炸的想法是正確的，爆炸過(guò)程中大部分能量以中微子的形式釋放。由于爆炸釋放出超強(qiáng)亮度的可見(jiàn)光，超新星爆炸可能是宇宙中最明亮的宇宙煙花（平均每個(gè)星系每100年有一顆超新星爆炸）。粗略估計(jì)，巨型IMB（歐文-密歇根-布魯克海文）和Kamiokande（神岡探測(cè)器）應(yīng)該看到了約20個(gè)中微子事件。當(dāng)IMB和Kamiokande的實(shí)驗(yàn)者回去審查他們當(dāng)天的數(shù)據(jù)時(shí)，他們看到IMB在10秒的時(shí)間內(nèi)顯示了8個(gè)候選的事件，而Kamiokande則顯示了11次這樣的事件。在中微子物理學(xué)的世界里，這是一大堆數(shù)據(jù)，它們使得中微子天體物理學(xué)突然間達(dá)到了成熟的境界。物理學(xué)家們通過(guò)這19次事件能寫(xiě)約1,900篇論文，他們透過(guò)這些事件看到了恒星爆炸的關(guān)鍵，它們能為天體物理學(xué)、物理學(xué)中的中微子做出巨大的貢獻(xiàn)。

由于認(rèn)識(shí)到大型質(zhì)子衰變探測(cè)器既能用于天體物理，也能用于中微子探測(cè)，一些研究團(tuán)隊(duì)便開(kāi)始構(gòu)建新一代的雙用途探測(cè)器。隨后，世界上最大的一個(gè)質(zhì)子衰變探測(cè)器于Kamioka（神岡，位于日本）再次建成，被命名為Super Kamiokande（超級(jí)神岡探測(cè)器）。這個(gè)龐然大物由一個(gè)5萬(wàn)噸的大水罐和周圍的11,800個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，放置在一個(gè)礦井里運(yùn)行。這個(gè)礦井的清潔度和實(shí)驗(yàn)室差不多，保持清潔度是必要的，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)尺寸如此大的探測(cè)器而言，物理學(xué)家們不僅要考慮宇宙射線的影響，還要考慮水里一些放射性元素可能會(huì)干擾我們想要尋找的信號(hào)。

日本超級(jí)神岡探測(cè)器

與此同時(shí)，物理學(xué)家們對(duì)于尋找天文中微子信號(hào)的興趣也達(dá)到了最高點(diǎn)。太陽(yáng)由于其內(nèi)部的核反應(yīng)而產(chǎn)生中微子，20多年來(lái)，物理學(xué)家雷蒙德·戴維斯（Ray Davis）使用地下的大型探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)中微子，但是他經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)中微子產(chǎn)生的概率比用當(dāng)時(shí)最好的模型（貝特的太陽(yáng)模型）預(yù)測(cè)的概率要低三分之一。因此，一臺(tái)新型的太陽(yáng)中微子探測(cè)器于加拿大薩德伯里的一個(gè)深礦中誕生了，命名為薩德伯里中微子觀測(cè)站（SNO）。

超級(jí)神岡探測(cè)器20多年來(lái)幾乎一直運(yùn)行著，期間經(jīng)歷了幾次升級(jí)。然而，它并沒(méi)有探測(cè)到質(zhì)子衰變信號(hào)，也沒(méi)有觀測(cè)到新的超新星。但是，將超級(jí)神岡探測(cè)器和薩德伯里中微子觀測(cè)站的工作相結(jié)合，我們可以肯定地說(shuō)，雷蒙德·戴維斯觀測(cè)到的太陽(yáng)中微子虧損是真實(shí)存在的，而且引起太陽(yáng)中微子虧損的原因是中微子的性質(zhì)而不是太陽(yáng)的天體物理效應(yīng)。這意味著三種已知類型的中微子（電子中微子、μ子中微子和τ子中微子）中至少有一種是具有質(zhì)量的。標(biāo)準(zhǔn)模型中描述的中微子是沒(méi)有質(zhì)量的，因此這是第一個(gè)明確指出在標(biāo)準(zhǔn)模型和希格斯粒子外存在著其他新物理規(guī)律的觀測(cè)結(jié)果。

薩德伯里中微子觀測(cè)站

不久之后，觀測(cè)來(lái)自地球大氣層中的中微子（來(lái)自太空的高能宇宙射線轟擊地球大氣層會(huì)產(chǎn)生大量粒子，其中包括大量中微子）證實(shí)了第二種中微子也具有質(zhì)量。該中微子質(zhì)量稍大一些，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子質(zhì)量。由于這些研究成果，SNO和Kamiokande的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。直到目前為止，這些令人興奮的新發(fā)現(xiàn)仍然不能由現(xiàn)在的理論來(lái)解釋。

未完待續(xù)，下周四見(jiàn)。

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