打开盒子那一刻

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  在2012年6月15日下午,同事郭家铭寄来一封电子邮件,揭开了我研究生涯中最激动的两周。郭家铭的邮件内容仅有短短的三行,说“盒子已经打开,125GeV处确有信号。”最后,他又加了一句,要我绝对保密。邮件内容虽然简单,但对一个从事量子物理实验30年的人来说,却是惊心动魄的。
  所谓“盒子打开”,是数据分析的一个手法,目的在于避免研究人员看到未成熟的结果,有了预期心理,而开发出带有偏见的分析方法。所以在数据分析的初期,不准大家提早做出最后的结果,直到分析方法都完善了,不再更动,才“打开盒子”,看结果如何。
  6月15日是预定打开希格斯粒子盒子的日子,郭家铭的邮件说的就是寻找希格斯粒子已有结果。我马上想到的是,希格斯粒子终于露出狐狸尾巴,标准模型再也不是一个不完整的理论了,大笔的投资也不再是无意义的浪费。我内心兴奋之余,也立刻浮现无数的疑问,过去几次传出希格斯粒子的消息,后来都证实是由于统计涨落,甚至是分析方法错误造成的,这次是否又重演类似的结果?这个问题是所有物理学家都萦绕在心头的。
  对于从事量子物理实验的科学家来说,寻找希格斯粒子可说是过去20年来整个加速器实验发展的主要动力。自从大型电子正子对撞机(LEP)测量了Z玻色子和W玻色子的质量与特性后,标准模型所描述的粒子世界只剩下希格斯粒子还被包围在种种未解谜团之中。其间虽然有顶夸克和γ微中子的发现,对我而言都远比不上希格斯粒子重要,主要原因是这两个粒子是所谓的序列粒子,同一序列的其他粒子早就被发现了,因此大多数物理学家相信发现它们只是早晚的事。反观希格斯粒子是唯一自旋为零的基本粒子,又关系到最神秘的“质量”来源,理论的不确定性很大。标准模型对希格斯粒子的描述斧凿痕迹很重,不像其他部分那么浑然天成。我们相信一定存在着某种机制来解决质量的问题,但不能确定大自然是否选择希格斯、翁勒与布饶特等人在45年前所提的方案。
  LHC和之前的探测器,在设计之初就把侦测希格斯粒子当做第一要务。理论学家告诉我们,希格斯粒子的动能应该小于1兆电子伏特,否则标准模型无法自圆其说。换句话说,在1兆电子伏特以下找不到希格斯粒子,就该发现我们没有想到的其他新现象。因此,LHC的对撞能量设定在14兆电子伏特,足以产生1兆电子伏特的希格斯粒子,而侦测器设计也针对它的各种衰变模式量身打造。
  CMS侦测器实验团队还建造了前置簇射探测器,它是专门针对希格斯粒子衰变成两个高能光子的模式设计的。同时,LHC的物理分析也一直以搜寻希格斯粒子的能力为主要的优化指标。在LHC开始运转前,我们早就根据标准模型,把各种可能的衰变模式通过仿真软件仔细研究,针对不同的质量找出了最适宜的分析方案。
  另外,理论学家也提出不少非标准的希格斯粒子,他们预测了很不同的衰变模式和产生机率,我们也都一一模拟。我想总有上百种衰变模式和分析方法被仔细研究过,这大概是未发现前被研究得最透彻的一个粒子了。这次的发现相当符合先前的预期,许多实验同仁不免慨叹,自然界竟然没有给我们任何惊奇,一切按照理论学家的预期进行,实在有点“反高潮”。不过这还言之过早,要确定这个新粒子的一切吻合希格斯的预测,我们还有很长的路要走。
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