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近日，歐洲核子研究中心宣布，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的“底夸克實(shí)驗(yàn)”與“緊湊繆子線圈實(shí)驗(yàn)”分別發(fā)現(xiàn)了4種和1種新的復(fù)合粒子。至此，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上探測(cè)到的復(fù)合粒子數(shù)量已達(dá)到67個(gè)。今年正值“上帝粒子”——希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)10周年。這些新粒子的發(fā)現(xiàn)不斷豐富著人們對(duì)微觀世界的理解和探索。
構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的最基本單元是什么？隨著科學(xué)研究不斷向微觀世界推進(jìn)，跨越細(xì)胞、分子、原子和原子核之后，那些更基本、更小、更難捕捉的“粒子”站在了最前沿，并于上世紀(jì)中葉催生了粒子物理學(xué)。這門學(xué)科迄今最具標(biāo)志性意義的成果，當(dāng)數(shù)希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。
這一發(fā)現(xiàn)為何如此重要？這要先從粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”談起?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”是指描述基本微觀粒子性質(zhì)和彼此間相互作用的理論，是粒子物理學(xué)的根基。在早期理論中，一些粒子被認(rèn)為是不帶有質(zhì)量的，因此它們理應(yīng)能將一些相互作用力傳播至無(wú)限遠(yuǎn)。然而，實(shí)驗(yàn)中卻觀測(cè)到這些相互作用力傳播距離有限，這就表明上述粒子確實(shí)是有質(zhì)量的。
這些粒子的質(zhì)量又源自哪里？為了解答這一問(wèn)題，上世紀(jì)60年代，以恩格勒和希格斯為代表的科學(xué)家提出一種新的機(jī)制，即宇宙空間中應(yīng)存在一種叫做“場(chǎng)”的物質(zhì)形態(tài)，能夠賦予其他粒子質(zhì)量?！皥?chǎng)”自身的能量會(huì)激發(fā)產(chǎn)生出一種粒子，這就是希格斯玻色子。隨后幾十年，一套包含希格斯機(jī)制的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論逐漸形成。不過(guò)，模型的一個(gè)核心預(yù)言——希格斯玻色子在被提出后的48年間都未顯露蹤跡。
直到2012年7月，在全球最大和能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)——?dú)W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)合作組共同宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。自此，標(biāo)準(zhǔn)模型補(bǔ)全了最后一塊丟失的“拼圖”，一切基于希格斯機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)模型的理論都可以大膽地前進(jìn)一步，相關(guān)實(shí)驗(yàn)也可以提出更精細(xì)的要求。恩格勒和希格斯也因此獲得了2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
標(biāo)準(zhǔn)模型雖然取得成功，但其中的大量細(xì)節(jié)依然令人費(fèi)解：希格斯粒子是如何與其他粒子產(chǎn)生相互作用的？反物質(zhì)和普通物質(zhì)之間在行為上有什么差別？……這些問(wèn)題的答案與宇宙的起源、演化等息息相關(guān)。物理學(xué)家們十分清楚，目前的標(biāo)準(zhǔn)模型并不完善，已有很多實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)相沖突。所以，未來(lái)需要有超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論予以解釋，更需要精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施加以驗(yàn)證。
對(duì)未知的好奇是人類的天性，也是推動(dòng)科學(xué)發(fā)展最本真的動(dòng)力。前沿基礎(chǔ)科學(xué)，也往往會(huì)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的革命性影響。為滿足基礎(chǔ)科學(xué)研究所需實(shí)驗(yàn)條件而衍生、發(fā)展出來(lái)的新技術(shù)，會(huì)廣泛運(yùn)用到民生領(lǐng)域。因此，粒子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究在世界范圍內(nèi)受到重視。不久前，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在完成3年多的升級(jí)維護(hù)后重新啟動(dòng)。不少科技大國(guó)也在規(guī)劃下一代性能更強(qiáng)的對(duì)撞機(jī)。相信在全球科學(xué)家的共同努力下，人類對(duì)微觀世界的認(rèn)知邊界將會(huì)不斷拓展。
（作者為中科院高能物理研究所特聘青年研究員）
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2022年08月16日 17 版）
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