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博彩玩到物理領域大概是絕無僅有的了。但最近確實就發生了,這是就歐洲核子中心大型強子對撞機是否在今年發現上帝粒子開的盤口。花費近一百億歐元打造的大型強子對撞機集近一百個國家、超過一萬位科學家和工程師之力,目的是找到所謂上帝粒子。

什麼是上帝粒子?用物理學家的術語就是黑格斯粒子,這是一種奇特的粒子,與自然界幾乎所有的粒子都有耦合,並將賦予這些粒子品質。正是由於它在粒子物理學中的特殊地位,美國實驗物理學家Leon Lederman在一本科普讀物中將這個粒子稱為上帝粒子。上帝粒子與眾不同的另一個特點是,它也許是自然界中僅有的無自旋粒子,至少在粒子標準模型中是如此。所以,找到上帝粒子一方面是對標準模型的最終驗證,另一方面是打開了通往理解世界為什麼有品質、在這些品質背後是否還有我們不知道的秘密的大門。當然,粒子物理學家建造大型強子對撞機的另一個目的是找到很多理論家預言的新世界中的東西,例如超對稱、大額外維、微型黑洞,等等。

大型強子對撞機於2010年3月30日開始在每單個粒子能量為3萬5千億電子伏進行質子與質子的對撞實驗,一直在提高亮度(即單位面積的粒子流量),但維持在這個能量上。也許要再過一兩年,能量才會提高到對撞機的設計能量,每個粒子7萬億電子伏。令一些理論粒子物理學家失望的是,所謂超對稱、大額外維、微型黑洞還沒有一個願意浮出水面。也許,這些令人著魔的神奇物理現象將永不浮現,這當然會給予一些樂於構造這些理論模型的物理學家以重大打擊,但對另一些觀望的物理學家卻是好事。畢竟,大設計應該比我們能夠預想來得更神奇。我們還會有更好的發現新物理的機會。或許,大型強子對撞機在今後兩年到三年會給我們帶來驚喜。

那麼,英國著名的博彩公司Bookies開的盤口是什麼?在粒子物理學家聚集在法國東南部城市格勒諾布爾參加歐洲高能物理會議之前,為今年發現黑格斯粒子博彩公司開出的賠率是12比1,也就是說,如果黑格斯粒子今年被發現,你投一塊錢賭注就會贏12塊。賠率越高,博彩公司越不看好。7月20日到27日,歐洲高能物理會議之後,博彩公司將賠率下降到1比3,也就是說你下賭注3塊,只能贏1塊,與之前的賠率差了36倍。所以,會議之後,博彩公司突然改變的主意,開始看好黑格斯粒子在今年就會被發現。

改變博彩公司態度的重要的原因是,大型強子對撞機的兩個重要實驗組獨立得到一些傾向支持黑格斯馬上就出浮現的結果。實驗組ATLAS發現,在品質120到145京電子伏(一京等於10億)之間,有一些反常事例,置信度大約是99%。而另一個小組CMS也在120到145京電子伏之間看到了一些反常事例,可信度不確定。在粒子物理實驗中,只有99%即兩個9的置信度是遠遠不夠的,一般人們需要6個9,即只有百萬分之一的不可靠性才會相信一個粒子被發現了。

物理學家如何去發現上帝粒子?最直接的辦法是看粒子衰變的產物。在粒子物理世界,除了少數幾個粒子,所有粒子都是不穩定的,黑格斯也非常不穩定,例如它會先衰變成很重的中間玻色子(一種傳播弱相互作用的粒子),中間玻色子再衰變成其他粒子。每個這樣的衰變都有其特殊性,實驗物理學家們利用的就是這些特殊性。尋找一個粒子,就像在人群中尋找一個人,找這個人的相貌特徵。如果我們將這群人叫作背景或本底,那麼我們要找的人是背景之上的特殊面孔。

在大約一百個背景事件之中看到了20個例外事件,CMS也類似。正因為兩個獨立的實驗在類似的背景中看到了類似的例外事件,才讓人們有理由相信黑格斯粒子的品質大約位於120到145京電子伏之間。這個品質是質子的120倍到145倍。

做物理實驗,我們不但要尋找黑格斯粒子的證據,還要排除黑格斯的品質範圍。目前,ALTAS小組認為黑格斯粒子品質不太可能在155到190京電子伏之間,排除率是95%。CMS則在149到206京電子伏之間排除了黑格斯,排除率也是95%。

美國費米國家實驗室的太伏對撞機(即每個粒子的能量近一太電子伏特=一萬億電子伏特)即將於今年9月關閉。在關閉之前,在該對撞機上做實驗的兩個獨立小組也獲得了對黑格斯粒子品質的限制。他們也或多或少地排除了較大品質的黑格斯粒子。

舉例來說,如果你打賭黑格斯品質低於130京電子伏,那麼你下注一塊可贏6塊。這個低品質區間是一些超對稱模型比較看好的。博彩公司比較看好品質區間131-140京電子伏,其次是150京電子伏以上。

如果我押寶,我打賭上帝粒子將在今年出現,可信度達4個9,即4個標準誤差。需要等到明年才能完全確實這個粒子。到明年年底,大型強子對撞機積累的資料大約是目前已經積累的資料的10倍。在這麼多資料的基礎上,黑格斯粒子將展示它的面目,而超對稱粒子等理論物理學家已經預言的新粒子將不會出現,但我不排除完全沒有被預言過的新粒子會出現。

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