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《科学24小时》

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“上帝粒子”:接近发现的希格斯玻色子

2012-09-22 23:28:41


□郭俊昌

 

北京时间2012 7 4 日,欧洲科学家宣布“接近发现”上帝粒子,或可解开万物质量来源之谜。那么,究竟为什么物理学家会如此痴迷“上帝粒子”?它的发现又有何重大意义呢?请跟随本文一同去寻找答案。

 

2012 7 4 日到11 日的高能物理国际会议,是一场被物理学家认为“即使不睡觉也没问题”的物理大事件。究竟是什么事情让科学家们如此疯狂?毫无疑问,那就是捉弄世人几十年的“上帝粒子”———希格斯玻色子“接近发现”了!

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欧洲核研究组织用一句话震撼了粒子物理学界:“新发现的粒子与长期寻找的希格斯玻色子一致。”提出“上帝粒子”概念的皮特·希格斯本人在发布会现场表现得十分兴奋,他热泪盈眶地说:“在我的生命中竟然发现了如此不可思议的事情!”

基本粒子我们并不陌生,科学家对于基本粒子的定义就是“不能再分为其它组成成分的粒子”。比如电子和夸克,它们都不能再分,所以均为基本粒子。质子由夸克组成,故质子不是基本粒子。在粒子物理学中,标准模型是描述弱力、强力、电磁力三种基本作用力与组成物质的所有基本粒子的理论,虽然它统一了三种基本作用力,但它没有包括引力这第四种基本作用力,因此它不是最终的统一理论,若想得到统一理论,最佳的候选者大概只有弦论了。

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标准模型虽说没有成为最终的统一理论,但它确实能解释很多粒子物理学现象,即使发现不符合标准模型预言的现象,也只能说还需要新的理论来补充它,而不是认为标准模型是错误的。就如同相对论一样,相对论预言世界上任何物体运动都不会超过光速,而且在相对论的推导下,将时间倒退到约200 亿年前,整个宇宙诞生于一个奇点,温度密度无限大,但空间为零,仅仅是一个零维的点。此时相对论本身已经不成立了,所以我们需要更先进的理论来填补它,而不能说相对论就是错的。

在现代物理学中,四种基本作用力是借助基本粒子来进行传递的。“光子”用来传递电磁力,“引力子”用来传递引力,“胶子”用来传递强力,“玻色子”用来传递弱力。可是描述标准模型的方程中必须假设所有的基本粒子质量为零。但是如果“玻色子”用来传递弱力,那它的质量应该很大,不仅是“玻色子”,包括电子、夸克等在实验中证明都是存在质量的,如果基本粒子没有质量,那它也不可能存在于我们现今的宇宙。但问题是,这些基本粒子是怎么获得质量的呢?英国物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中,希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺,并将质量赋予规范玻色子和费米子,也就是说标准模型在遇到这类问题之际同时预言了希格斯场和希格斯粒子的存在。

那希格斯粒子或希格斯场是什么时候开始存在于宇宙中呢?现代物理理论研究表明,希格斯场从宇宙大爆炸开始就存在了,但是,早期的希格斯场与基本粒子根本不发生作用,直到宇宙诞生后的千亿分之一秒,空间发生了“真空相变”的现象,从那时开始,希格斯场开始与基本粒子发生作用并赋予基本粒子质量。由于希格斯粒子是随希格斯场中能量的集中而出现的,因此不区分希格斯场和希格斯粒子对于基本粒子的作用。至于希格斯粒子是为何赋予基本粒子质量,按照常识,我们会认为希格斯粒子直接把质量给了基本粒子,其实不然,可以想象,十个体重相同的人迎风赛跑,他们每个人发出的力不同,所以有快有慢,作为观察者的我们会认为跑得快的体重小,跑得慢的体重大,这也正是希格斯场赋予基本粒子质量的机制所在。对于基本粒子与希格斯场相互作用的强弱,我们可以从中获得各基本粒子不同的质量,比如光子就不与希格斯场发生任何相互作用,所以它的速度依然为光速,静止质量为零,而对于其他的基本粒子,如电子,就会因为与希格斯场的作用而被赋予质量,它的速度也就从光速降下来,最终无法再次达到光速。

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然而,对于希格斯粒子,在此之前我们都只是理论假设,一直没有实验证明它的准确性,直到LHC(大型强子对撞机)的建成,才让这个上帝的使者得以露面。早前就有一些实验室对寻找希格斯粒子做出过努力,但一直都没有成功,因为设备性能不佳。直到超高性能的LHC 出现才将希格斯粒子探测出来,当然这多亏了LHC 上的两个希格斯粒子探测器ATLAS CMS。如何探测希格斯粒子则是最关键的问题所在,科学家不可能直接探测到希格斯粒子,只能间接探测,原因是希格斯粒子存在的时间极短以至于根本不可能直接探测。由于希格斯粒子可以在高能粒子的碰撞中产生,所以科学家们还是得利用加速器让粒子簇相互碰撞,以提高它们的碰撞概率,通过观察它们碰撞后产生的粒子的性质确定是否存在希格斯粒子。

2012 年之前的实验经验中,科学家认为希格斯粒子的质量范围为124Gev~126Gev,假定希格斯粒子的质量在125Gev,那么它衰变后的粒子将会有十三种模式,科学家利用这些粒子来间接证明希格斯粒子的存在。在LHC 实验中,科学家正是利用希格斯粒子衰变为双光子或一对Z 粒子来间接探测希格斯粒子的,接着利用衰变之后粒子的能量进行叠加,从而反推出希格斯玻色子的质量。但是这其中存在一个问题,比如衰变而生成的双光子并不一定就是希格斯粒子衰变而成的,所以我们就不能凭空地认为探测到了双光子的存在即判定找到了希格斯粒子。因此科学家们采用概率的方法,发现在124Gev~126Gev 之间存在双光子反常现象,也就是希格斯粒子的质量范围在124Gev~126Gev 之间。在此前探测中,ATLAS 得出的结是在126Gev 质量附近,希格斯粒子存在的概率为99.98%CMS 得出的结论是在124Gev 质量附近,希格斯粒子存在的概率为99.5 %。但是粒子实验物理学要求使粒子存在的概率达到99.9999%才算真正发现新粒子。所以,2011 年,LHC 没能得出“找到希格斯粒子“的结论。今年LHC 的两大探测器的数据显示希格斯玻色子信号的可信度接近4-sigma。结合两次实验的结果,其可信度将接近5-sigma。因此,在这次大会中,实验物理学家终于可以有十足的把握宣布:我们找到了希格斯玻色子!

也许有人会问,找到了希格斯粒子意味着什么?对标准模型来说,如果没有希格斯粒子的存在,那么整个标准模型都将垮台,所有事情似乎都将“说不过去”,这样我们就会需要新理论来替代标准模型,科学家们可不想再这样被“玩”下去了。而对所有的基本粒子来说,找到了希格斯粒子就像失踪的小孩找到了母亲一样,因为是它赋予了整个宇宙生机,赋予了宇宙活力。




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