文·本报记者 王婷婷

    10月8日，虽然推迟了一个小时公布，2013年的诺贝尔物理学奖还是毫无悬念地授予了“上帝粒子”的追随者们——彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒，以表彰他们对“上帝粒子”所做的预测。

    “上帝粒子”的正式名称是希格斯玻色子，理论上认为是构成宇宙的最基本组成部件之一。科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在，其作用是解释为何其它粒子会拥有质量。

    随着诺奖的出炉，“上帝粒子”再次名声大噪。然而微观世界中，“上帝粒子”还有许多“小伙伴”，有那些对我们来说并不陌生的质子、中子、电子，还有光看名称就足以令普通读者皱眉的夸克、中微子、玻色子……

    北京大学百人计划研究员、物理学院曹庆宏教授告诉科技日报记者，除了诺奖新贵希格斯粒子，在粒子物理学“标准模型”中还包括强子、轻子、规范玻色子。

    作为宇宙最基本的组成物质，它们身上有着哪些已知和未知的秘密？在人类探索自身乃至宇宙奥秘的过程中，它们又扮演着怎样的角色？

    夸克

    6种类型已被实验观测到

    ·知 道

    1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（quark ）组成的。曹庆宏解释说，夸克还可以分成6种：构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克，另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。夸克互相结合，形成强子，强子中最稳定的是质子，它和中子是构成原子核的单元。

    目前，夸克的六种类型已经全部被加速器实验所观测到。1974年，华裔科学家丁肇中和他的合作者发现了一个质量约为质子质量3倍的长寿命中性粒子。在公开发表这个发现时，丁肇中把这个新粒子取名为J粒子。与此同时，美国人里希特也发现了这种粒子，并取名为ψ粒子。后来人们就把这种粒子叫作J/ψ粒子。J/ψ粒子具有奇特的性质，其寿命值比预料值大5000倍；这表明它有新的内部结构，不能用当时已知的3种夸克来解释，而需要引进第四种夸克即粲夸克来解释。J/ψ粒子的发现大大推动了粒子物理学的发展。为此丁肇中和里希特共同获得1976年诺贝尔物理奖。

    华裔高能物理学家叶恭平曾指出：“宇宙刚开始瞬间，只是基本粒子存在的状态，找齐6种夸克等基本粒子，将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段。因此，可以知道宇宙由过去到未来的演化历程。”

    ·不知道

    于1994年在美国费米实验室被观测到的顶夸克，是夸克家族中最后发现的一种。目前关于顶夸克，人类了解得非常少，也是这一领域中比较热门的研究方向之一。曹庆宏指出，科学家们希望通过对这种粒子的研究，构建一个更加完美的理论物理的模型。

    除此以外，6种类型以外是不是还有新的夸克？夸克是否还可以细分为更小的粒子？这些疑问还需要通过更深入的探索才能解答。

    中微子

    中微子个头小，不带电，是轻子的一种。中微子又分为三种，即电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们在自然界广泛存在，几乎不与任何物质发生作用，号称宇宙间的“隐身人”。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。除特殊情况外，在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面，因此探测来自恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。

    中微子有一个特殊的性质，即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。1998年，日本超神冈实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象。2012年3月8日14时，我国大亚湾中微子实验国际合作组在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。这一重要成果对于最终揭开宇宙起源和演化之谜有着重大意义。

    目前，中微子振荡尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

    ·不知道

    中微子有大量谜团尚未解开。

    中微子的质量问题到底是怎么回事？中微子有没有磁矩？有没有右旋的中微子与左旋的反中微子？有没有重中微子？太阳中微子有没有失踪？太阳中微子的强度有没有周期性变化？太阳中微子失踪的原因是什么？有没有中微子振荡？宇宙背景中微子怎样探测？它在暗物质中占什么地位？有没有中微子星？恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘？

    因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。

    规范玻色子

    传递微观世界中的相互作用

    ·知 道

    规范玻色子是这样定义的——传递基本相互作用的媒介粒子。曹庆宏解释说，好比站在两艘小船上相互抛球的两个人，他们之间的距离会随着球的抛接越来越远，而他们之间的这个球，在微观世界中，就可以看作是规范玻色子。

    追溯这一领域的研究历史，会出现一个我们耳熟能详的名字——杨振宁。曹庆宏介绍，20世纪50年代初期，实验上发现了许多的新粒子，这些粒子之间的相互作用非常繁杂。1954年，杨振宁和米尔斯试图建立更为普适的相互作用理论，提出了具有定域同位旋不变性的理论，并发现对称性要求必须引入三种矢量规范场。我们熟悉的电磁理论虽然也遵从定域不变性，但光子之间并不存在直接相互作用。与此不同的是，杨-米规范理论中的规范场粒子之间存在直接的相互作用。非常不幸的是，定域不变性还要求规范波色子质量为零，这使得杨-米规范理论被粒子物理学界忽视了很久。

    1964年希格斯等人提出“希格斯机制”，通过真空对称性自发破缺来赋予规范场粒子质量。1967年温伯格借助“希格斯机制”成功地建立和实验事实符合的电弱统一理论。此后，规范理论才引起人们的关注。

    ·不知道

    曹庆宏指出，规范玻色子之间是有相互作用的，但这种作用形式是否确如电弱理论所预言的，亦或还有新规范波色子（或新的相互作用形式）等重要问题还需要进一步通过对撞机实验来验证。专家解释，目前人类想要研究宇宙起源时期物质的变化过程，只有在实验室中，通过粒子加速器中的粒子对撞来模拟，所以加速器是目前微观物理研究的一项重要工具。

    延伸阅读

    我国粒子物理研究还需努力

    复旦大学物理系教授吴咏时授权果壳网发布的文章中，介绍了我国粒子物理研究的相关情况。他指出，这次欧洲核子研究中心的实验研究，有中国科学院高能物理研究所和北京大学的研究团队参与其中。

    我国在粒子物理研究的另外一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，首次测出了一个重要参数的数值。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。