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我们和“上帝粒子”有个约会1

2012-02-16 16:24:49

                       淮南联合大学副教授:奇 云

 

科学家“撞见”了“上帝粒子”?

1899年汤姆逊发现电子至今的一个多世纪时间里,人类一直孜孜不倦的探索微观世界的奥秘。粒子物理学模型的建立,使人类对物质微观结构的探索几乎达到了尽善尽美的地步。但是,仍然有一个神秘的基本粒子,游离于人类的掌控之外。众多的物理学家坚信:它是质量之源,承载着世间万物的终极本质;它能穿越时空,游走于过去和未来之间;它也可能会击垮物理大厦,让粒子物理学模型彻底崩塌。它就是有“上帝粒子”之称的基本粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)。

20111213,欧洲核子研究中心举办了研讨会。研讨会上,参与大型强子对撞机(简称LHC)项目的两个独立科研团队宣布,他们分别使用超导环场探测器(简称ATLAS)和压缩μ子螺旋型磁谱仪(简称CMS,又叫“紧凑渺子线圈”)两台探测器,发现了希格斯玻色子的“踪迹”。

压缩μ子螺旋型磁谱仪团队的科学家宣称,他们的实验结果出现误差的几率为5%。而超导环场探测器团队的科学家则表示,他们的实验结果出现误差的几率仅为1%。尽管这还都不符合一项基本粒子“正式的科学发现”所要求的百万分之一的误差几率;但研究者仍然认为,实验结果是“令人兴奋”的。

希格斯玻色子是当代粒子物理学“标准模型”理论所预言的一种粒子,被认为是物质的质量之源。一旦验证了希格斯玻色子的存在,物质质量起源之谜就会被彻底揭开;有了希格斯玻色子的加入,粒子物理学的“标准模型”理论就取得了相当大的成功。如果希格斯玻色子被证明确实存在或不存在,那将是过去100年中最重大的科学发现之一,其重要意义将丝毫不亚于上世纪的几大突破,包括爱因斯坦首次系统阐述的量子物理学。

2012年新年来临之际,著名的美国《科学》杂志发表预测:“2012年,粒子物理学家们或者将找到希格斯玻色子,或者将证明其根本就不存在。”有科学家认为,与其说这是一个预测,不如说是一项事实。目前,大型强子对撞机正在以惊人的速度生成数据。除非发生故障,希格斯玻色子必定会出现,或者被明确视为不存在。这差不多是一种数学上的必然性。大型强子对撞机项目的两个科研团队也表示,如果大型强子对撞机一直很好地工作,两个探测器将获得足够多的数据,并于2012年年底之前证实或者否定希格斯玻色子是否存在。

“上帝粒子”是什么粒子?

希格斯玻色子是什么粒子?何以被称为“上帝粒子”?这里面还有一段曲折的故事。

物理学家们早已发现,物体之间千差万别的相互作用,可以简单划分为4种力,即引力(重力)、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用力。在爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后,人们开始尝试建立一个统一的模型,以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。经过长期研究和探索,美国物理学家史蒂文·温伯格于1967年建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论。“标准模型”的出现,使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是,这一“家园”有个致命的缺陷,那就是该模型无法解释物质质量的来源。

为了修补上述理论大厦的缺陷,温伯格借用由英国爱丁堡大学的物理学家彼得·希格斯于1964年提出的“希格斯机制”。在希格斯机制里,宇宙大爆炸最初,所有的粒子都没有质量。当宇宙逐渐冷却,直到温度低于一个临界值时,一个看不见的力场通过与其相关的粒子形成了。这个力场现在称为“希格斯场”,而该粒子称为“希格斯玻色子”。在希格斯机制中,希格斯场存在于整个宇宙,任何粒子相互作用都通过希格斯玻色子赋予了一定的质量。粒子间相互作用得越多,则质量越大。因此,从不与其他粒子相互作用的粒子完全没有质量(如光子)。换句话说,假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受其作用而产生惯性,最终才有了质量。尔后,所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用,统一于“标准模型”之下,构筑成大千世界。

“希格斯机制”为“标准模型”提供了一个令人满意的解决方案,而且与现有的理论和实验现象所符合。但问题是,这个神秘的“上帝粒子”,一直和人们玩着“躲猫猫”的游戏,从未有人通过实验来观测到希格斯玻色子。曾几何时,人们似乎已经发现它的踪影,而它好像只是故意在人们面前闪现一下身影,然后就如同幽灵般消失。人们建造了多种粒子加速器,希望一窥“上帝粒子”的蛛丝马迹。尤其是大型强子对撞机的建成,更是激发了人们捕获“上帝粒子”的信心。然而,“上帝粒子”总是若隐若现,揭秘的时间也是一推再推。科学家们相信,2012年“上帝粒子”能给我们一个准信。


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