這是歐洲核子中心大型強子對撞機的ATLAS探測器獲得了數據的模擬粒子路徑圖。希格斯玻色子是當兩個(gè)質(zhì)子以14TeV的極高能級相撞時(shí)產(chǎn)生的，此后它會(huì )迅速衰變?yōu)?個(gè)μ子，這是一種不會(huì )被探測裝置吸收的大質(zhì)量電子。這一圖像中，μ子的運行路徑用黃色線(xiàn)標示。
當地時(shí)間2011年12月13日，歐洲強子對撞機實(shí)驗室進(jìn)行的高能量光子軌跡圖當地時(shí)間2011年12月13日，歐洲強子對撞機實(shí)驗室進(jìn)行的高能量光子軌跡圖 2013年諾貝爾物理學(xué)獎授予彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒(Fran·ois Englert)，以表彰他們對希格斯玻色子(又稱(chēng)“上帝粒子”)所做的預測。那么，到底什么是希格斯玻色子呢？ 希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是說(shuō)，理論上認為它應當是構成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實(shí)驗觀(guān)測證實(shí)�？茖W(xué)家們提出的物理學(xué)標準模型預言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會(huì )擁有質(zhì)量。根據這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見(jiàn)的力，即希格斯場(chǎng)和與之相對應的粒子 ——希格斯-玻色子一同形成。正是這個(gè)場(chǎng)賦予其它基本粒子以質(zhì)量的屬性。 為何這一粒子如此重要？ 希格斯場(chǎng)賦予整個(gè)宇宙中其它粒子以質(zhì)量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力來(lái)做比喻。如果粒子沒(méi)有質(zhì)量，它們便可以在宇宙中以光速前進(jìn)，因為質(zhì)量的本質(zhì)便是對物體改變其速度的制約性。 這種粒子最早是什么時(shí)候被提出來(lái)的？ 有關(guān)這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學(xué)家共同提出來(lái)的，其中就包括英國愛(ài)丁堡的皮特•希格斯(Peter Higgs)教授。他們當時(shí)提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。 理論上，這一粒子的存在將正好補全描述整個(gè)宇宙如何運行的物理學(xué)標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。 如何對其進(jìn)行搜尋？ 歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)是人類(lèi)有史以來(lái)建造的最強大的粒子加速器，它的工作原理是將兩束質(zhì)子流以接近光速的速度迎頭相撞，在此過(guò)程中得到其它粒子。 在1989年至2000年之間，科學(xué)家們也曾使用同樣位于歐洲核子中心的另一臺加速器LEP進(jìn)行搜尋工作，而由于經(jīng)費不足被關(guān)停之前，美國的Tevatron加速器也進(jìn)行過(guò)對這一神秘粒子的搜尋工作。 科學(xué)家們如何能知道自己究竟是否發(fā)現了這樣的粒子呢？ 如果在LHC加速器中進(jìn)行的數以十億計的對撞實(shí)驗中真的產(chǎn)生了希格斯-玻色子，根據預測，它應當是不穩定的，會(huì )迅速衰變?yōu)楦臃�定，質(zhì)量更小的粒子。物理學(xué)家們需要對這些衰變產(chǎn)物進(jìn)行分析，并且通過(guò)分析來(lái)推斷這種被稱(chēng)為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。在分析過(guò)程中，希格斯粒子是否存在會(huì )從數據圖形的峰值中體現出來(lái)。 六點(diǎn)重大影響： 1. 揭開(kāi)質(zhì)量起源之謎 物體的質(zhì)量是怎么來(lái)的？這個(gè)問(wèn)題一直困擾物理學(xué)界，而希格斯玻色子恰恰被認為與宇宙中一切物體的質(zhì)量起源有關(guān)。希格斯玻色子與一種場(chǎng)有關(guān)，那就 是所謂的希格斯場(chǎng)，理論上認為這種場(chǎng)充斥著(zhù)整個(gè)宇宙。當宇宙中的其它粒子在這一場(chǎng)中運行時(shí)便獲得了質(zhì)量的屬性。這就有點(diǎn)像是大家都在一個(gè)游泳池里游泳，然 后身上都會(huì )被打濕，在這里，被水打濕就像是物體獲得質(zhì)量一樣。 美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家杰奧•哥斯達(Joao Guimaraes da Costa)表示：“希格斯粒子的機制讓我們能夠理解粒子獲得質(zhì)量的途徑和方式�！� 哥斯達是去年歐洲核子中心宣布疑似希格斯粒子發(fā)現時(shí)，大型強子對撞機(LHC)所屬ATLAS探測器設備的標準模型召集人。他說(shuō)：“如果沒(méi)有這種機制，那 么所有的一切物體都將失去質(zhì)量�！� 確認此次發(fā)現的粒子確實(shí)是希格斯粒子將證明我們設想的粒子獲得質(zhì)量屬性的方式是正確的。美國加州理工學(xué)院物理學(xué)教授瑪利亞•斯皮羅普魯 (Maria Spiropulu)表示：“這項發(fā)現從量子層面支持了我們對于質(zhì)量來(lái)源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項無(wú)與倫比的成就�！� 而后，這將進(jìn)一步為一個(gè)更深層次的問(wèn)題提供解決的線(xiàn)索，那就是：為什么這些粒子擁有這一質(zhì)量數值？這個(gè)值是如何確定的？對此，哈佛大學(xué)物理學(xué)家 麗薩•蘭德?tīng)?Lisa Randall)表示：“這是一個(gè)大得多的問(wèn)題。確認這的確是希格斯粒子只是整個(gè)過(guò)程的第一步，此后我們才能更往前走，這兩者之間是相互聯(lián)系的�！� 2. 完善標準模型 標準模型是當代粒子物理學(xué)的基石，它描述了整個(gè)宇宙中所有的粒子。所有被標準模型所預言的粒子此前都已經(jīng)被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣 布初步結果時(shí)，歐洲核子中心ATLAS實(shí)驗設備科學(xué)家喬納斯•斯蘭德伯格(Jonas Strandberg)就曾表示：“這是標準模型中缺失的一環(huán)，因此如果這一發(fā)現得到最終確認，那么它將最終證明我們目前的認識是正確的�！� 到目前為止，科學(xué)家們所發(fā)現的這一疑似希格斯粒子似乎和標準模型中預言的性質(zhì)相吻合。但即便如此，標準模型本身也并不完整：例如它沒(méi)有包括引力，也沒(méi)有將被認為占據整個(gè)宇宙物質(zhì)總量約98%的暗物質(zhì)成分考慮進(jìn)去。 美國費米國家實(shí)驗室CMS中心的物理學(xué)家帕提•麥克布雷德(Patty McBride)在上周四表示：“即便有證據清晰地證明目前我們新發(fā)現的這一粒子確確實(shí)實(shí)就是標準模型所預言的希格斯玻色子，即便如此我們對宇宙的認識仍 然模糊不清�！彼f(shuō)：“我們仍然不能理解為何引力如此微弱，我們還要面對巨大的暗物質(zhì)的存在。不過(guò)，對于這一已經(jīng)有48年歷史的經(jīng)典理論來(lái)說(shuō)，邁出了完善 的第一步仍然不失為一件令人高興的事�！� 3. 電弱相互作用 確認希格斯粒子還將對電弱相互作用的構建產(chǎn)生重要影響。這種作用是對電磁作用與弱相互作用的統一描述，這兩者都是自然界的基本力類(lèi)型之一。電磁作用描述帶電粒子之間的相互作用，而弱相互作用則描述放射性衰變過(guò)程。 自然界中所有力的作用都和某種粒子有關(guān)。比如與電磁力有關(guān)的粒子是光子，這是一種質(zhì)量為零的特殊粒子。而弱相互作用力則和名為W和Z的玻色子有關(guān)，這兩種粒子都擁有很高的質(zhì)量值。而所有這些粒子的質(zhì)量來(lái)源，便被認為是希格斯玻色子的作用造成的。 歐洲核子中心的斯蘭德伯格表示：“如果引入希格斯場(chǎng)的概念，那么W和Z玻色子就會(huì )和這個(gè)場(chǎng)混雜在一起，在這一過(guò)程中它們便獲得了質(zhì)量�！彼f(shuō)：“這解釋了為何W和Z玻色子會(huì )有質(zhì)量，并將電磁作用和弱相互作用兩種基本力統一了起來(lái)，構成電弱相互作用�！� 4. 超對稱(chēng)理論 超對稱(chēng)理論也將受到希格斯粒子發(fā)現的影響。這一理論認為任何一種已知的粒子都有一個(gè)“超級伙伴”粒子，這種伙伴粒子擁有輕微差異的性質(zhì)。超對稱(chēng) 理論擁有很大的吸引力，因為它可以統一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭開(kāi)暗物質(zhì)構成之謎。然而到目前為止這一理論的前景黯淡，科學(xué)家們只找到了和 標準模型預言的希格斯粒子性質(zhì)極其相似的粒子，但是卻沒(méi)有能發(fā)現任何和超對稱(chēng)粒子有關(guān)的線(xiàn)索。 5. 大型強子對撞機 大型強子對撞機(LHC)是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設備率屬于歐洲核子研究中心(CERN)，其目的是創(chuàng )建地球上能 級最強大的粒子加速器設施。而其中找出希格斯玻色子則被列為了該設備的最優(yōu)先目標之一。此次最新宣布的結果為L(cháng)HC此前的結果提供了強有力的證明，也是對 此前一直在這里為達成這一目標而忘我工作的物理學(xué)家們所取得豐碩成果的最好證明。 斯皮羅普魯在去年的一份聲明中表示：“這項發(fā)現從量子層面支持了我們對于質(zhì)量來(lái)源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項 無(wú)與倫比的成就�！彼f(shuō)：“科學(xué)家們已經(jīng)等待了整整一代人的時(shí)間，為的就是這一刻。來(lái)自全世界各地大學(xué)和研究機構的粒子物理學(xué)家，工程師和技術(shù)人員們已經(jīng) 為了達成今天的這一成就奉獻了數十年的辛勤工作�，F在是時(shí)候讓我們暫時(shí)停下腳步，回過(guò)頭去審視這項發(fā)現的意義了，然后再繼續進(jìn)行海量的數據收集和分析工 作�！� 希格斯玻色子最早是在1964年由英國物理學(xué)家皮特•希格斯和同事們提出的。而這個(gè)名字的后半部分則是為了紀念杰出的已故印度物理學(xué)家和數學(xué)家 玻色，他與愛(ài)因斯坦一同給出了玻色子的定義。玻色子是一類(lèi)基本粒子，主要包括膠子和引力子等。其負責傳遞費米子之間的相互作用，如夸克，電子和中微子等 等。費米子是宇宙中的另外一種基本粒子類(lèi)型。 6. 宇宙的命運 希格斯玻色子的確認將為科學(xué)家們開(kāi)啟一扇大門(mén)，讓他們得以進(jìn)行此前無(wú)法進(jìn)行的一些計算。其中一些計算的結果有關(guān)宇宙的命運。有一種觀(guān)點(diǎn)認為宇宙將在未來(lái)數十億年內毀滅。 在進(jìn)行這樣的計算時(shí)，希格斯玻色子本身的質(zhì)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數，它預示了時(shí)空的未來(lái)命運。目前的測量值顯示，希格斯玻色子的質(zhì)量約為質(zhì)子的126倍，這一質(zhì)量值幾乎已經(jīng)處在了一個(gè)臨界點(diǎn)上，它將有可能讓宇宙在未來(lái)數十億年內走向毀滅。 約瑟夫•林肯(Joseph Lykken)是美國費米國家實(shí)驗室的物理學(xué)家，他表示：“計算的結果告訴我們，在數十億年之后宇宙將可能面臨災難�！彼f(shuō)：“這或許意味著(zhù)我們所生活于其中的這個(gè)宇宙本身存在著(zhù)內在的不穩定性，在數十億年之后這一切都將歸于瓦解�！� 基本粒子質(zhì)量之源 若沒(méi)有希格斯粒子，其他基本粒子就會(huì )仍以光速運行，宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，不能組成物質(zhì)，生命無(wú)從談起 希格斯粒子究竟是什么？為什么找到它如此重要？ 早在2000多年前，人類(lèi)便開(kāi)始追問(wèn)，我們所生活的世界是怎樣形成的？從德謨克利特的“原子說(shuō)”到如今被科學(xué)家普遍接受的標準模型理論，從樸素的形而上學(xué)概念到標準模型所預言的粒子陸續被證實(shí)，人類(lèi)似乎越來(lái)越接近這一問(wèn)題的答案。 在標準模型里，宇宙由62種不可再分的基本粒子構成，通過(guò)強力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復合粒子，進(jìn)而構成物質(zhì)世界。 基本粒子可以分為兩大類(lèi)：自旋為半整數的費米子(fermion)和自旋為整數的玻色子(boson)。費米子是構成物質(zhì)“實(shí)體”的粒子，也稱(chēng)之為物質(zhì)粒子，而玻色子則傳遞基本相互作用，也可稱(chēng)為載力粒子。 然而在標準模型建立過(guò)程中，有一個(gè)問(wèn)題卻一直困擾著(zhù)科學(xué)家：按照標準模型理論，基本粒子并沒(méi)有質(zhì)量，但實(shí)驗結果卻又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有質(zhì)量的。 1964年，希格斯等人提出了“希格斯機制”的概念，在理論上解決了這個(gè)問(wèn)題。希格斯們認為宇宙間遍布“希格斯場(chǎng)”，基本粒子在與希格斯場(chǎng)的相互作用下獲得了質(zhì)量，而形成希格斯場(chǎng)的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子。 根據對希格斯粒子性質(zhì)的預言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子，所以又把希格斯粒子稱(chēng)為希格斯玻色子。 希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，并沒(méi)有希格斯粒子的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫沖直撞。宇宙誕生十幾秒后，希格斯粒子 誕生，形成了“希格斯場(chǎng)”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發(fā)生碰撞后，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質(zhì)量，而速度就慢下來(lái)了。 慢下來(lái)的基本粒子“夸克”在強相互作用下，抱團組成了質(zhì)子、中子等粒子，質(zhì)子和中子又組成了原子核，原子核與電子在電磁力作用下又形成了原子，原子構成分子，由此形成了我們所見(jiàn)到的大千世界。 如果沒(méi)有希格斯粒子，其他的基本粒子就會(huì )仍然以光速運行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質(zhì)，生命也無(wú)從談起。 希格斯玻色子的存在是希格斯機制的必然結果之一，假若實(shí)驗證實(shí)希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機制極大的肯定。更重要的是，它的發(fā)現彌補了標準模型的缺漏，奠定了標準模型的基礎。 由于希格斯粒子一直未被發(fā)現，這些重要的問(wèn)題一直懸而未決。這個(gè)標準模型理論預言的最后一個(gè)粒子便一直成為科學(xué)家們苦苦追求的目標。 等等，萬(wàn)一希格斯理論被證明是錯誤的，希格斯粒子根本就不存在呢？ 曾獲諾貝爾獎的著(zhù)名粒子物理學(xué)家萊德曼表示，如果這樣，標準模型理論將被推翻，至少需要進(jìn)行修改。他表示，“這就像哥倫布啟程去尋找印度群島一樣，他和他的信徒們相信，如果沒(méi)有達到目的，他也會(huì )發(fā)現一些別的東西，這些東西可能會(huì )更有意義�！� 在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，很多科學(xué)家反倒有些失望，畢竟找到一個(gè)48年前就被預言了的“老粒子”多少有些無(wú)趣，他們期盼的是更為顛覆性的發(fā)現：假如標準模型被推翻，整個(gè)物理世界的理論都有可能要重新改寫(xiě)。 尋找希格斯粒子歷程艱難花費驚人 上帝粒子之所以取名為希格斯，是因為它是英國科學(xué)家彼得•希格斯(Peter Higgs)于1964年提出的(與他差不多同時(shí)提出希格斯這一機制的還有其他幾個(gè)人，一旦希格斯粒子的存在最后被確認，他們將分享諾貝爾物理獎)。 尋找希格斯的工作早在上世紀90年代的LEP對撞機上就開(kāi)始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴， 可惜LEP對撞機由于要讓位于LHC的修建而過(guò)早關(guān)閉了，從此便與希格斯擦肩而過(guò)(現在看來(lái)，LEP的能量再提升一點(diǎn)就有能力看到希格斯了)。 接下來(lái)前赴后繼的是美國費米實(shí)驗室的Tevatron對撞機，這一領(lǐng)世界風(fēng)騷近20年的對撞機也對希格斯進(jìn)行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的嬌容，可惜這一對撞機正值壯年就被關(guān)閉了(被關(guān)閉的原因是在能量和亮度兩方面都競爭不過(guò)歐洲人的LHC對撞機)。 其實(shí)在LHC建造之前，美國人已經(jīng)開(kāi)始建造超級超導對撞機SSC，按照設計它將是真正的巨無(wú)霸對撞機，其能量比LHC還要高3倍，目標也是尋找 希格斯�？上�，SSC由于花費驚人(被稱(chēng)為“吞噬金錢(qián)的無(wú)底洞”)而被美國國會(huì )終止了，已經(jīng)挖好的地洞也被填平(很多第三世界國家的人為此嘆息，這些花巨 資挖的地道可以作防空洞或地道戰用啊)。 但是，歐洲人并沒(méi)有因此而停頓建造LHC的步伐，歐共體成員國共同出錢(qián)如期完成了LHC工程(世界上其他大國包括中國在內，也不同程度地出了錢(qián))。LHC對撞機是人類(lèi)歷史上投資最大的科學(xué)研究機器，造價(jià)高達100億美元，這一人類(lèi)歷史上最高能量對撞機的主要目標就是尋找上帝粒子——希格斯。由于LHC涉及到幾十個(gè)國家和幾百個(gè)大學(xué)，它的發(fā)言人在7月4日的發(fā)布會(huì )做最后總結時(shí)說(shuō)，LHC是全球的力量、全球的成功。 -- 新浪科技 |
