生物实验技术

长期寻找的粒子完成了物理学家的粒子物理标准模型

   
  

  
   
一种被称作希格斯玻色子的难以捉摸的亚原子粒子被《科学》杂志宣布为2012年最重要的科学发现。这种在40多年前第一次被假设的粒子是解释其它诸如电子和夸克等基本粒子（即那些不是由更小的粒子所组成的粒子）如何获取其质量的关键。

除了确认这一粒子的发现是2012年的年度突破之外，《科学》杂志及其非营利性的发行机构AAAS确认了过去1年的其它9个开创性的科学成就并将其编撰纳入一个在12月21日刊上发表的前十名的榜单当中。

研究人员在7月4日公布了希格斯玻色子的证据，从而将一个物理学家称之为粒子物理标准模型拼图中的最后一块填充到位。这一理论解释了粒子为了组成宇宙中的物质是如何通过电磁力、弱核力和强核力相互作用的。然而，在今年之前，研究人员无法解释这些有关的基本粒子是如何获得它们的质量的。

《科学》新闻通讯员Adrian Cho撰写了该杂志的年度突破特写文章，他解释道：“简单地给这些粒子指定质量会令该理论在数学上出毛病。因此，质量必须以某种方式来自于在其它场合不具备质量的粒子的相互作用。这就是希格斯派上用场的地方。”

如Cho所解释的，物理学家假设空间是由一个与电场类似的“希格斯场”所填充的。粒子与这一希格斯场相互作用以获取能量以及质量——多亏有爱因斯坦著名的质能等价理论。他解释说：“正如电场是由被称作光子的粒子组成的，希格斯场是由织入真空的希格斯玻色子组成的。物理学家现在将它们从真空中轰了出来并进入短暂的存在状态。”

但是，看到希格斯玻色子是来之不易甚或代价不菲的。在瑞士的日内瓦附近的CERN粒子物理实验室中操作一个55亿美元的原子加速器的数千位研究人员用了2个被称作ATLAS和CMS的巨型粒子探测器来发现这一被长期寻找的玻色子。

虽然不清楚这一发现在未来会引领粒子物理领域至何处，但其在今年对物理学界的重大影响是不可否认的，这就是为什么《科学》杂志称希格斯玻色子的发现为2012年年度突破的原因。

2012年该杂志的另外9个开拓性科学成就名单如下。

丹尼索瓦人基因组: 将特定分子与DNA单股结合的一种新的技术让研究人员能够用一个远古小指骨碎片对丹尼索瓦人完整的基因组进行测序。该基因组序列使得研究人员能够将丹尼索瓦人——这是与尼安德特人密切相关的古老人类——与现代人进行比较。它还揭示了该指骨属于在7.4万年至8.2万年之间，在西伯利亚死去的一个长着棕色眼睛、棕色毛发和有棕色皮肤的女孩。

从干细胞制造卵子: 日本研究人员展示，小鼠的胚胎干细胞可被诱导成为可存活的卵细胞。他们是在当这些在实验室中受精的细胞发育成为由代孕母体生下的活的小鼠幼仔时敲定这一情况的。这种方法要求雌性小鼠在其体内容留这些发育中的卵子一段时间，因此它未能达到科学家们的终极目标：完全在实验室中得到卵细胞。但它为研究基因和其它影响生育力和卵细胞发育的因素提供了强有力的工具。

好奇号的着陆系统: 尽管无法在火星条件下测试其探测器所有的着陆系统，但加州帕萨迪纳的美国航空航天局喷气动力实验室的探索火星使命的工程师们安全并准确地将好奇号探测车安置到了火星的表面上。这个3.3吨重的漫游进入式飞行器对传统的登陆而言过于巨大，因此该团队从起重机和直升飞机那里得到灵感从而创建了一个在3根线缆的末端悬吊着配置了轮子的好奇号的“空中起重机”着陆系统。这一完美无暇的着陆使规划者再次获得了信心，即NASA能够有朝一日在已有的探测车附近让第二辆探测车着陆，并将第一辆探测车取得的样本收集起来送回地球。

X射线激光给出了蛋白质的结构: 研究人员用一种X射线激光——它比传统的同步加速辐射源亮10亿倍——来确认布氏锥虫这种寄生虫所需的一种酶的结钩，布氏锥虫是引起非洲昏睡病的原因。这一进展证明了X射线激光解密蛋白质的潜力，而这是传统的X射线源所无法做到的。

基因组的精密工程: 对高等生物DNA的修改和删除一般而言是一种无法确定结果的做法。但在2012年，一个叫作TALENs的工具赋予研究人员改变或灭活斑马鱼、蟾蜍、牲畜及其它动物，甚至是病人，细胞中的特定基因的能力，TALENs代表的是“转录激活子样效应因子核酸酶”。这种技术，以及其它新兴的技术，被证明与确认的基因靶向技术一样有效（且较为廉价），且它能让研究人员在健康人和病人中确认基因及突变的特定作用。

马约拉纳费米子: 马约拉纳费米子——该粒子（还有其它的性质）会作为它们自己的反物质并湮灭它们自己——的存在已经被争论了70多年了。今年，一组荷兰的物理学家和化学家首次提出了这种以准粒子形式存在的奇异物质的坚实证据：行为像单个粒子的、成组的相互作用的电子。这一发现已经促进了人们将马约拉纳费米子结合到量子计算中去的努力，因为科学家们认为由这些神秘粒子组成的“量子比特” 会比目前在数字计算机中所拥有的比特更有效率地存储和处理数据。

ENCODE项目: 今年以超过30篇文章报道的一个长达10年的研究揭示，人类基因组比研究人员曾经认为的更具“功能”。尽管只有2%的基因组会为实际蛋白编码，但DNA元素百科全书——或ENCODE项目表明基因组的大约80%是有活性的，可帮助基因的开启或关闭。这些新的细节应能帮助研究人员理解基因受到控制的途径并澄清某些疾病的遗传学风险因子。

脑机器界面: 之前展示了来自大脑的神经记录是如何能被用来移动电脑荧幕上的一个光标的同一个团队在2012年展示，瘫痪的病人能够用他们的思想来移动一个机械臂并从事复杂的三维运动。该技术仍然是试验性的——而且极端昂贵——但科学家们希望更先进的计算程序可改善这种神经性假体以帮助因中风、脊髓损伤及其它疾病导致瘫痪的病人。

中微子混合角: 数百名在中国大亚湾反应堆中微子实验中工作的研究人员报告了一个模型的最后的未知参数，该模型描述了被称作中微子的难以捉摸的粒子是如何在它们以接近光速穿行时会从一种类型或“特色”变形成为另外一种类型。这些结果显示，中微子和反中微子可能会以不同的方式改变其特色，并提示中微子物理可能有朝一日帮助研究人员解释为什么宇宙含有如此多的物质及如此少的反物质。如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。