复旦教授解读寻找希格斯玻色子的意义

风之恋

复旦大学物理系教授吴咏时
什么是希格斯玻色子
希格斯玻色子是物理学标准模型当中最后一个待发现的粒子。7月4日欧洲核子研究中心（CERN）的科学家宣布，在寻找希格斯玻色子的过程中，他们发现了一个新粒子，与希格斯玻色子有吻合之处。一般认为，大约要到今年年底，才有可能确认它是否真是希格斯玻色子。
标准模型是我们当前人类对自然界的一个基本物理理论。它告诉我们自然界4种力中的3个电磁力、强力和弱力是如何发挥和实现作用的。
标准模型的理论分成两部分，一部分是“杨振宁－米尔斯规范场理论”（Yang-Mills Gauge Theory），在强相互作用和电磁相互作用中，杨－米理论是发挥作用的，但在弱相互作用中，杨振宁－米尔斯规范场理论要发挥作用还需要希格斯玻色子的配合。理论上，希格斯玻色子将为杨－米理论中传递弱相互作用的粒子赋予质量，使得弱力成为短程力，符合实验的结果。
这种质量赋予是怎样进行的呢？真空中希格斯玻色子的场可以处于一个非常特殊的状态，理论上叫做凝聚态，打个比方就像稀糖浆或者蜜糖这样的状态。当别的粒子经过这个“稀糖”时，也就是经过希格斯玻色子场的这个凝聚态时，就获得了质量。（实际上，每种玻色子总和一定的场相对应。）
总而言之，希格斯玻色子本身有3个极其重要的理论意义：一是它是标准模型中的最后一个待发现的粒子；二是它给杨振宁－米尔斯规范场理论中传递弱相互作用的粒子赋予了质量；此外呢，实际上，希格斯玻色子给几乎所有的基本粒子以质量，除了传递电磁相互作用的光子和传递强相互作用的胶子。

发现希格斯玻色子的重要学术与现实意义
迄今为止，物理学的标准模型的分成两个部分，一个就是杨振宁－米尔斯规范场理论，另一个就是与希格斯玻色子有关的对称性破缺的理论。杨振宁－米尔斯理论在理论上是相当完美的，它能给我们很多确定的预言，而且很多都被相当精密的实验所证实。与之相比，希格斯玻色子相关的理论虽然在定性上非常重要，但是在定量上还很不完善，很不成熟。因此，如果希格斯玻色子被发现，第一个重要意义实际上就是在希格斯相关理论的定量研究上促进了物理学标准模型的完善和发展。
现有的理论对希格斯玻色子的质量完全不能预言。这次欧洲科学家发现的新粒子，它的质量约为氢原子核的133倍，如果将来证实它确是希格斯玻色子，这就是一个很重要的结果。这个结果为我们将来研究基本粒子理论提供了指导性的方向。例如，在众多的未来需要探索的问题中，一个可能的方向就是，研究为什么有一种玻色子（甚或就是希格斯玻色子），它的质量是氢原子核的133倍。
第二个重要意义，这次进展使得标准模型有关希格斯玻色子的部分，可能通过理论和实验在研究上进一步完善。现在有关希格斯玻色子的研究，定性方面有了一定的基础，但定量还基本没有。物理学的研究，不仅仅满足于定性的研究，还要探索定量的研究，而且是非常精确的定量研究，定量是越准确越好，使得科学知识达到准确、精密的程度。
另外一个重要的理论意义，是对未来宇宙早期演化的研究具有重要的推动作用。也就是说，希格斯玻色子的研究不仅能促进我们对微观世界的理解，也能促进我们对宇观尺度的理解。这也是基础物理学里一个很有趣的现象——极小尺度的现象与极大尺度的现象具有一些微妙的连接。比如说，早期宇宙某个时段的能量标度和我们现在加速器上微观粒子的能量标度是接近的（注：现在的宇宙由于自身膨胀、能量衰减，其能标已经很低了）。这次发现的新粒子的质量是氢原子核的133倍，如果证实是希格斯玻色子，这就是进一步开展研究的重要的能量标度。
从现实意义上说，我有一个这样的看法：好像是一个艺术家，做出了一个很完美的艺术品，这也许和我们日常生活，吃、喝、用，不见得有什么直接联系；但是，在精神上，在科学的理解上，满足了大家的好奇心和对真知的追求，如同我们对艺术审美的需求一样。
这次的科学进展，使我们在寻找希格斯玻色子的征途上又前进了一大步，使人们知道以前的标准模型在希格斯玻色子这一块定性的想法看来还是很不错的。随着研究深入和完善，将来物理学的标准模型将进一步完善，这将使得人类对自然界的认识登上一个新的高峰、铸就一个新的里程碑。
CERN发现的重要价值
此次，欧洲核子研究中心（CERN）学术会上公布的最新的科学研究成果，有几个十分重大的价值、重要的进展：
一是新粒子在几个衰变模式当中都同时出现。当然，因为物理科学的极端严谨性，在学术会上，科学家还是说没能确定是哪个玻色子，因为从最严谨的角度讲，要在众多的衰变模式中都出现，而且都具有相同的性质，才能完全确认发现了一个新的粒子。
第二个就是它的研究发现的标差达到了5，这就意味着99.99994%可信概率，这是新粒子发现的一个判据。物理学上，标差的值越高，代表可信度越高。标差5代表了99.9999%以上的可信度。在科学上必须要这么高的概率，否则，如果放在几十亿的事件和数据量中统计，它的统计误差就可能很大。举个例子，前些日子，美国费米国家实验室也宣布发现了希格斯玻色子的迹象，但是他们只有3.5的标差，这个结果就完全不能算是新发现一个粒子。
第三个、也是更重要的一个发现，就是CERN确定新粒子的质量在氢原子核的133倍左右，这是一个很重要的结果。如果将来确认为希格斯玻色子，这就为相关的物理确定了一个重要的能量标度。这对下一步的标准模型里的希格斯玻色子相关理论和实验的发展，都具有指导性的意义。
CERN下一步的研究方向，其实是已经规划好了的。作为近期一个重要的任务，寻找希格斯玻色子看来已经取得了比较好的进展。沿着这个方向，我相信，下一步他们将进一步“改进统计”，积累更多的数据和事例，然后在更多的衰变模式当中寻找并确认希格斯粒子。
另一方面，CERN的科学家还在寻找标准模型里没有的粒子，比如超对称粒子。如果人类能够发现标准模型里没有的粒子，那将真正是具有改变世界意义的重大突破。发现标准模型里没有的粒子，将完全改变理论物理学家看待自然世界的方式。
此外，CERN还在寻找一些新的物理现象，如小黑洞、附加维度等等。这些现象目前只是理论物理学家的假设和猜测，还没有形成系统的理论。寻找一些新的物理现象，这也是CERN和全世界物理学界的一个重要任务。
我国粒子物理研究的开展情况简要介绍
我国现在粒子物理研究的某些领域也做出了很有影响的工作，比如在大亚湾进行的中微子振荡实验，得出了一个重要的参数的数值。这显示我国对中微子振荡领域的研究，在国际上已占有一席之地。这个方面的研究，实际上也是和希格斯粒子的物理有重要的关联。
中国正在进行的寻找暗物质的研究，也是一项值得期待和关注的粒子科学前沿的探索。但是，中国在这些粒子物理前沿领域的理论研究上，还需要进一步努力，去赶超国际领先水平。