2012年物理学或迎来突破性的一年

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在过去的16年中，可以用郁闷来形容粒子物理学家的集体状态，因为他们不仅没有发现新粒子，也没有太多的其他发现，但是这个状态在2012年很可能被打破。
& e1 L  K4 t# I6 c6 h; L　　"在过去的16年中，可以用郁闷来形容粒子物理学家的集体状态，因为他们不仅没有发现新粒子，也没有太多的其他发现，但是这个状态在2012年很可能被打破。 "
; {& a9 d1 q& w* c　　年末的“谣言”
4 C- N& T2 H/ m  U- m　　在2011年行将过去时，物理学界又来了一波新闻冲击。这次当然是来自一直被媒体和普通人关注的欧洲大型强子对撞机(LHC)，在这个对撞机上一直工作的四个探测器中的两个在12月13日举行联合学术报告，对同行和媒体透露他们对最新数据作出的最新分析结果。
　　在举行联合学术报告之前十天，网上已经疯传探测器ATLAS和探测器CMS的结果，这次的结果与寻找希格斯粒子即所谓上帝粒子有关。同行们对谣言的反应各色各样，有的相信，有的不信，有的说要持谨慎态度，有的说粒子物理学已经获得突破，有些人甚至在网上吵了起来。我一直是个乐观的人，倾向于相信大型强子对撞机终于俘获到了希格斯粒子作案后留下的一点痕迹。
　　不论信和不信，为什么大家如此兴奋？原因是，自从粒子物理学家80年前开始用对撞机这类大型玩具寻找各种粒子以来，这是第一个与众不同的粒子。这个粒子与众不同到什么程度？参见相关文章《为什么希格斯粒子这么特殊？》。另外，1995年粒子物理学家发现了顶夸克，在那之后，已经有16年没有发现任何 新粒子了。在过去的16年中，我们基本可以用郁闷这个词来形容粒子物理学家的集体状态，因为我们不仅没有发现任何 新粒子，也没有太多的其他发现，例如没有发现任何 新型相互作用——我们平常称为“力”的东西。
　　着名物理新闻和科普网站“物理世界”(PhysicsWorld)在去年年终总结了物理学2011年十大进展，没有将大型强子对撞机找到希格斯粒子的证据包括进去。这可以理解，因为下面我们会说到，大型强子对撞机虽然看到了疑似希格斯粒子，还不算真正看到了。
　　另一个大新闻
　　2011年物理界还有一个重大新闻，同样与欧洲核子中心有关。位于意大利Gran Sasso国立地下实验室的中微子实验OPERA在9月22日宣布，他们测量到了中微子的速度超越了光速！OPERA接收到的中微子来自于欧洲核子中心，两地距离大约为730千米。
　　这显然是一个比希格斯的发现更加重大的新闻，因为超光速是相对论和量子力学两个理论联合禁止的。如果中微子真的超光速了，那么整个物理学基础必须重新考虑了。因此，OPERA谨慎地说，他们已经考虑实验中各种可能出现错误的地方，但没有找到，无奈之下，只好将结果用学术论文的形式公布出来，让全世界物理同行来检查。这篇论文在网上出现后，已有一百多篇论文讨论中微子超光速问题。与希格斯粒子的证据一样，中微子超光速同样没有被“物理世界”列为物理学2011年十大进展。
　　ATLAS的证据
) K- v  t, D. u" Q7 }　　回到2011年12月13日。那一天欧洲时间下午，欧洲核子中心大型强子对撞机上的两个探测器研究组，ATLAS和CMS，举行了大家已经在谣言中期待了十天的报告，将他们对2011年一年的数据分析结果公之于众。
　　说这两个研究组是组确实不恰当，因为每个组的人员都不少于三千人。感谢大型强子对撞机以及两个探测器ATLAS和CMS的高性能运行，感谢这两个组的研究人员夜以继日地工作，他们在极短的时间内分析了海量数据中含有的希格斯粒子的信息，终于在圣诞节前获得较强的希格斯粒子的证据：这个粒子的质量大约是125GeV左右，这里一个GeV是10亿电子伏特，一个质子的质量大约是一个GeV。
' C( p6 B8 K. v; V* z' u　　ATLAS是英文A Toroidal LHC Apparatus(一台环形LHC仪器)，这个名字看上去很普通，看上去更像是为了套用希腊神话中的大力神巨人的名字。ATLAS是目前世界上最大的探测器，长46米，高25米，重七千吨。在12月13日的联合报告中，ATLAS的领导人、意大利籍的Fabiola Gianotti先做报告，她的报告持续了近一小时，超过了预告的半小时。Gianotti看上去是一位很干练的女性，与我同年。她从1992年起就为ATLAS工作，那时这个探测器还没有影子，大家也只是做筹备工作。这个探测器3年前第一次启动，但不幸的是，大型强子对撞机在启动后很快坏了。维修了一年多，终于在两年前重新启动，到目前为止运行正常，而且是高性能地运转。终于，他们能够在12月给全世界带来令人兴奋的结果，ATLAS以99.9%的置信度看到了希格斯粒子的踪影。
8 G0 m6 Q% Y* w( _. f　　可是，在物理世界中，99.9%实在不算一个接近100%的数字。历史上，物理学家有很多次在这个置信度上看到了离奇的现象，过了一段时间后又消失了。所以，粒子物理学家在1995年发现顶夸克后制定了一个不成文的标准，宣布一个发现，实验的置信度必须至少是99.99994%，也就是说，发现是虚幻的可能只有不到千万分之六的可能。为什么是这个离奇的数字？因为根据统计学，这个数字相当于物理学家得到的信号超过所有可能的误差的5倍。
　　CMS的证据
! }% D) R$ o+ F- }　　2011年12月13日欧洲时间下午，我一直在网上看来自欧洲核子中心的视频直播，并将我获得的最重要的信息及时在微博上直播。ATLAS报告之后是CMS的报告。CMS是英语Compact Muon Solenoid缩写(紧致渺子螺管)，是比ATLAS小的探测器，长21.5米，高15米。这台探测器虽然比ATLAS小，却重达一万两千多吨。探测器这么重原因是，需要强大的磁场是来弯曲高能带电粒子从而测量它们跑得多快，而产生强大的磁场需要很多铁。所以，这台探测器并不像名字显示的那样紧致。这台探测器的主要目的和ATLAS一样，是俘获希格斯粒子，同时寻找超出粒子物理标准模型的新物理原理，例如超对称。
1 A7 l6 H. B" E$ k　　CMS领导人是Guido Tonelli，已经62岁了，与ATLAS的领导人Fabiola Gianotti一样来自意大利。他从2010年1月开始成为CMS发言人，领导着一个有三千六百人的团队。CMS看到希格斯粒子踪影的置信度稍低些，大约有99%的置信度，同样，在粒子物理学中这是一个不可信任的置信度。但CMS和ATLAS一样，在不同的地方看到了希格斯的踪影，这是为什么多数粒子物理学家相信他们看到了希格斯，而且相信他们将在今年确凿无疑地俘获希格斯。
　　到底有多靠谱
. M7 q$ W: z; m8 {0 @. o# f　　就像在两个学术报告作出之前的十天内一些物理学家所做的那样，两个组的发言人在宣布这个激动人心结果的同时警告我们，希格斯粒子还不能说完全被发现了。
　　在过去发生过很多不靠谱的事情，实验粒子物理学家们时不时地宣布发现了什么，让理论粒子物理学家们激动了几天，写了很多论文。不久，等积累了更多的数据，“发现”消失了。因此，不少理论粒子物理学家们都有了心理创伤，对置信度不“达标”的发现怀有警惕心理。
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