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1964年,英国物理学家彼得·希格斯提出“希格斯玻色子。[2] 1988年,诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼无意中为希格斯玻色子起了“上帝粒子”(God Particle)这么一个名字。莱德曼写了本科普书,原书名叫“该死的粒子(Goddamn Particle),因为希格斯玻色子难以找到,但出版商认为不妥,遂改成了“上帝粒子”。然而,许多科学家却不喜欢这一称呼,因为它过分强调了这粒子的重要性和太宗教化。希格斯本人也不喜欢,但有意思的是,当别人提到“希格斯玻色子”时,希格斯总是诚惶诚恐,因为他觉得“不配用自己的名字”命名这种粒子。
物理学者认为物质是由基本粒子组成,这些基本粒子彼此之间相互影响的基本力有四种。根据规范场论,为了满足定域规范对称性,必须引入传递基本力的规范玻色子。特别而言,传递电磁力的规范玻色子就是光子。1954年,杨振宁与罗伯特·米尔斯试图将这关于电磁力的点子延伸至其他种基本力,他们提出了杨-米尔斯理论,但是规范场论预测规范玻色子的质量必须为零,而零质量玻色子传递的是类似电磁力的长程力,不适用于像弱核力或强核力一类的短程力。
怎样才能够使得传递短程力的规范玻色子获得质量?物理学者在凝聚态物理学的超导理论里找到重要暗示。1950年,俄国物理学者维塔利·金兹堡与列夫·郎道提出金兹堡-朗道理论,他们建议,在超导体里,弥漫着一种特别的场,能够使得光子获得有效质量,但他们并没有明确地描述这特别场。1957年,约翰·巴丁、利昂·库珀、约翰·施里弗共同创建了BCS理论,他们认为,由电子组成的库珀对,形成了这特别场。规范对称性被这特别场隐藏起来,因此造成自发对称性破缺──虽然对称性仍旧存在于描述这物理系统的方程,但是方程的某种解答并不具有这对称性。
南部阳一郎于1960年将自发对称性破缺的概念引入粒子物理学。他建议,假定夸克与反夸克的质量为零,则生成它们的能量成本很低,如同电子们在超导体里凝聚为库珀对,它们会在真空里凝聚为夸克对,使得强相对作用的手征对称性被打破,夸克会因此获得质量。他又指出,在这机制里,还会出现一种新的零质量玻色子,即π介子,由于上夸克、下夸克的质量不等于零,π介子的实际质量不等于零,只是比其他种介子的质量都轻很多。1962年,杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理,对于这类零质量玻色子的性质给予描述。根据这定理,当连续对称性被自发打破后必会生成一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子。带质量粒子比较难制成,粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子。零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同,零质量粒子很容易制成,或者可从缺失能量或动量推测其存在。然而,事实并非如此,物理学者无法做实验找到其存在的任何蛛丝马迹,这事实意味着整个理论可能有瑕疵。1963年,菲利普·安德森发表论文指出,对于非相对论性的超导体案例,假若是规范对称性被打破,则不一定会出现戈德斯通玻色子,他进一步猜测,这机制应该可以加以延伸来处理相对论性案例,但他并没有明确地给出一个相对论性案例。这论述遭到未来诺贝尔化学奖得主沃特·吉尔伯特强烈反对。
1964年,弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特领先于8月,紧接着,彼得·希格斯于10月,随后,杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔于11月,这三个研究小组分别独立地发表论文,宣布研究出相对论性模型。古拉尼于1965年、希格斯于1966年、基博尔于1967年,又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质。这三篇1964年论文共同表明,假若将局部规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起,则规范玻色子必然会获得质量。1967年,史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆各自独立地应用希格斯机制来打破电弱对称性,并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论。温伯格指出,这过程应该也会使得费米子获得质量。
关于规范对称性的自发性破缺的这些划时代论文,最初并没有得到学术界的重视,因为大多数物理学者认为,非阿贝尔规范理论是个死胡同,无法被重整化。1971年,荷兰物理学者马丁纽斯·韦尔特曼与杰拉德·特·胡夫特发表了两篇论文,证明杨-米尔斯理论(一种非阿贝尔规范理论)可以被重整化,不论是对于零质量规范玻色子,还是对于带质量规范玻色子。自此以后,物理学者开始接受这些理论,正式将这些理论纳入主流。
从这些理论孕育出的电弱理论与改善后的标准模型,正确地预测了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、顶夸克、粲夸克,并且准确地计算出其中一些粒子的性质与质量。很多在这领域给出重要贡献的物理学者后来都获得了诺贝尔物理学奖与其它享有声望的奖赏。发表于《现代物理评论》的一篇1974年文章表示,至今为止,这些理论推导出的答案符合实验结果,但是,这些理论到底是否正确仍旧无法确定。权威著作《希格斯狩猎者指南》的作者指明,标准模型拥有惊人的成功。现今,粒子物理学的核心问题就是了解希格斯区的相关理论。
为了要制成希子,在粒子对撞机里,两道粒子束被加速到非常高能量,然后在
粒子探测器里相互碰撞,有时候,异乎寻常地,会因此生成产物希子。但是希子会在生成后会在非常短暂时间内发生衰变,无法直接被探测到,探测器只能记录其所有衰变产物(“衰变特征”),从这些实验数据,重建衰变过程,假若符合希子的某种衰变道,则归类为希子可能被生成事件。实际而言,很多种过程都会出现类似的衰变特征。很庆幸地是,标准模型精确地预言所有可能衰变模式与对应的
或然率,假若探测到更多能够匹配希子衰变特征的事件,而不是更多不同于希子衰变特征的事件,则这应该是希子存在的强烈证据。
在大型强子对撞机里,由于粒子碰撞生成希子的事件概率非常稀有,大约为百亿分之一,很多其它种碰撞事件具有类似的衰变特征,物理学者必须搜集与分析几百万亿个碰撞事件,只有显示出与希子相同衰变特征的事件才可被视为是可能的希子衰变事件。在确认发现新粒子之前,两个独立的粒子探测器(ATLAS与CMS)所观测到的衰变特征出自于背景随机标准模型的事件概率,都必须低于百万分之一,也就是说,观测到的事件数量比没有新粒子的事件数量,两者之间相异的程度为5个标准差。更多碰撞数据能够让物理学者更为正确地辨认新粒子的物理性质,从而决定新粒子是否为标准模型所描述的希子,还是其它种假想粒子。
低能量实验设施可能无法找到希子,必须建造一座高能量粒子对撞机,这对撞机还需要具有高亮度来确保搜集到足够的碰撞数据。另外,还需要高功能电脑设施来有序处理大量碰撞数据(大约25
petabyte每年)。至2012年为止,它的附属电脑设施,全球大型强子对撞机计算网格(Worldwide LHC Computing Grid)已处理了超过三百万亿(3×10)个碰撞事件。这是全球最大的
计算网格,隶属于它的170个电算设施,散布在36国家,是以
分布式计算的模式连结在一起。
宇宙为何没有坍缩?由丹麦哥本哈根大学和英国、芬兰科学家组成的研究团队在《物理评论快报》上发表论文称,他们距离找到这一问题的答案更近了一步。研究团队对标准模型中最后一个未知参数——希格斯场和万有引力之间的耦合强度做出了限制。这一研究有助科学家修正膨胀模型,使之与我们的宇宙实际情况更加符合。
按照目前最好的物理学
模型,宇宙在大爆炸膨胀之后很快就会坍缩,膨胀持续不超过1秒。而宇宙没有坍缩,部分原因是在膨胀过程中产生了希格斯玻色子,俗称“上帝粒子”。以往研究表明,在早期宇宙中,希格斯场可能获得足够大的波动来克服能量障碍,使宇宙从标准真空态转变为负能量真空态,而让宇宙迅速坍缩。
研究人员解释说,希格斯场与万有引力之间耦合得越强,波动就越大,最终引发关键性过渡,转变成负能量真空态。据他们计算,在膨胀之后,只要耦合强度超过1,就会发生坍缩。2014年,该团队通过分析膨胀过程中保持稳定性所需的必要条件,推导出一个较低的界限值0.1,结合新结果,将耦合强度限制在0.1—1的范围,接近其历史估计值1/6。历史
估值1/6是希格斯-万有引力零耦合时的数值,但这个值未必正确。
将希格斯-万有引力耦合强度的范围收窄对物理学家具有指导意义,在分析实验数据时,有助确定更精确的耦合值。比如利用宇宙微波背景辐射和万有引力波的数据,有望对该值做进一步限定,将希格斯-万有引力耦合强度与其他参数结合,可以生成没有转变到坍缩态的宇宙图。
论文第一作者、哥本哈根大学的马蒂·赫兰南说,这些参数的结合不仅决定着这种过渡(包括希格斯场与万有引力耦合)能否发生,而且决定着膨胀的能级,这是靠目前检测无法严格限定的,因此现在还无法定论标准模型是否有问题。将来通过独立测量,如观察最初膨胀产生的万有引力波,可对希格斯-万有引力耦合和膨胀程度做出更严格限定。
[4]
2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:
这也是第一个被发现的基本标量粒子。以下列出几个检试这125GeV粒子是否为希子的实验项目:
-
玻色子:只有玻色子才能够衰变为两个光子。从实验已观常到这125GeV粒子能够衰变为两个光子,因此,这粒子是玻色子。
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零自旋:这可以从检验衰变模式证实。在初始发现之时,观察到125GeV粒子衰变为两个光子,根据对称性定律,可以排除自旋为1,剩下两个候选自旋为0或2。这决定于衰变产物的运动轨道是否有嗜好方向,假若没有,则自旋为0,否则,自旋为2。2013年3月,125GeV粒子的自旋正式确认为0。
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偶宇称(正宇称):从研究衰变产物运动轨道的角度,可以查得到底是偶宇称还是奇宇称。有些理论主张,可能存在有膺标量(pseudoscalar )希子,这种粒子拥有奇宇称。2013年3月,125GeV粒子的宇称暂时确认为正宇称。排除零自旋奇宇称假说,置信水平超过99.9%。
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衰变道:标准模型已对希子的衰变模式给出详细预测,这包括双光子道、{\displaystyle W^{+}W^{-}}道、{\displaystyle ZZ}道、{\displaystyle b{\overline {b}}}道、{\displaystyle \tau ^{+}\tau ^{-}}道。LHC已于2013年观察到双光子道、{\displaystyle W^{+}W^{-}}道、{\displaystyle ZZ}道,证实希格斯场可以与玻色子相互作用。LHC又于2014年观察到其它两种模式{\displaystyle b{\overline {b}}}道、{\displaystyle \tau ^{+}\tau ^{-}}道,证实希格斯场可以与费米子相互作用。这意味着希子不只是衰变至传递作用力的玻色子,它还衰变至组成物质的费米子。对于这些模式,实验初始得到的
分支比(branching ratio)或
衰变率结果稍微高过预期值,意味着这粒子的物理行为可能更为怪异,但是,CMS团队领导约瑟·英侃德拉(Joseph Incandela)认为,这分歧并不严峻。
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与质量相耦合:希子必须能够通过希格斯场与质量相耦合,也就是说,与W玻色子、Z玻色子相耦合。对于标准模型希子而言,所涉及的耦合常数{\displaystyle c_{V}=1}。从分析LHC实验得到的数据,{\displaystyle c_{V}}在标准模型数值的 15%内,置信水平95%。
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高能量碰撞结果仍旧与先前一致:在大型强子对撞机2015年重新开启之后,碰撞能量将达到设计的13 – 14 TeV,未来实验将专注于寻找其它种类的希子(如同某些理论预测)与检试其它版本的粒子理论,实验获得的高能量结果必须与希格斯理论一致。
一个名为”希格斯玻色子的末日”(Higgs boson doomsday)的理论表示当一个量子波动在空间中形成一个真空的”泡泡”,它会在空间中扩散,进而摧毁整个宇宙。尽管如此,科学家并不认为这件事会在短期内发生。
Joseph Lykken,一位在位于伊利诺州的费米国家加速器实验室工作的理论物理学家在赛提机构上课时表示”这件事极有可能会在10的100次方(1后面接100个零)年之后才有可能发生,所以你应该不需要卖掉的你的房子,并且要持续缴税。
另一种可能性便是这件事已经发生了,那个泡泡可能正往我们袭来。但我们不会发现因为它会是以光速行动,所以不可能会有任何警讯。
希格斯玻色子(Higgs boson),有时被称会上帝粒子(追求官方名称的科学家对此感到恼怒),是一种研究者长期怀疑存在的微小粒子。它的被发现强烈的支持了粒子物理学的标准模型,一个科学家相信的关于基本物质组成是如何堆叠的理论。
希格斯玻色子对于标准模型是如此的重要的原因是它的存在证明了希格斯力场(一个散布在宇宙中的隐形力场,以其质量影响其他物质)的存在。自从它在两年前被发现后,已经在物理界造成不小的风波。
当科学在去年测量出该粒子的质量后,他们可以作更多的计算,例如一个能测量出宇宙尽头的算式。
宇宙末日
希格斯玻色子的质量大约是电子的1260亿倍,或是质子的0.686亿倍。这正好能维持宇宙在不稳定边缘的质量,但物理学家表示这个脆弱的平衡终究会被打破,造成宇宙的不稳定。这个结论产生了希格斯力场。
Lykken说”希格斯力场诞生于宇宙的起源,从那时候起便一直以他自行的能量存在至今。”物理学家相信它正在缓慢的变化,为了到达力场强度和能量需求的终极平衡。
来自希格斯玻色子的发现地,欧洲核子研究组织的理论物理学家Gian Giudice在2013年10月的一场TED演说中表示”如同物质可以以液态及固态存在一样,充满空间-时间的物质也可能以两种型态存在。现在希格斯力场正处于它位能的最低点。
转化成另外一个型态所需要的巨大能量就好比攀上一座高山。假如希格斯力场越过了那个山头,有些物理学家认为山头另一端就是宇宙的毁灭。
另外还有一种不幸的量子波动,或者说是能量上的转变,可能产生”量子穿隧效应”(quantum tunneling )。Lykken说”与其爬上那座高山,量子穿隧效应有可能让希格斯力场直接穿越那座山,进到一个更低的能量低谷。这个量子波动有可能会在银河系间的真空区域发生,并且产生所谓的泡泡。
霍金在他的新书里是这样描述希格斯末日的:”希格斯的位能有个令人担忧的地方便是当它的能量超越一千亿个十亿伏特时,它有可能会成为一个亚稳的状态。这代表宇宙有可能会遭遇一个灾难性的真空衰退。处于真空状态中的泡泡会以光速四散。这可能发生在任何时间,而我们无法预知。”
Giudice在它的TED演讲里说到”在泡泡里的希格斯力场会比普通的力场还强,而且处于比其环境还要低的能量位阶。尽管泡泡里的力场只比普通的还要强一些,它仍然能够压缩原子,并且使原子核衰竭,令氢原子成为宇宙中唯一的存在。”
但是,借由一个包含了希格斯粒子的质量的计算,研究者发现这个泡泡中的力场强度会非常的高,并且会以光速在空间-时间里四散。这个力场的散播无法阻挡,并且会摧毁已知宇宙里的一切。我们所存在的宇宙可以存在很久,但他终究会毁灭在悬崖上。目前没有任何我们已知的原理会把我们逼到这个边界上。
并不是完全没有希望的
Lykken说”有可能所有的时空都在这个如利刃般的边缘上处于稳定与不稳定的宇宙之间,也有可能我们的计算出了错误。
如果计算是错的,那一定是在一个科学家还没发现的基本物理理论上出了错误。一种可能是暗物质的存在。
暗物质是一种隐形的物质,物理学家相信它组成了27%的宇宙。研究暗物质是如何与宇宙其他物质作用,能让物理学家发现未知的物质和物理规则。
另外一种可能是所谓的’超对称理论(supersymmetry)’。在标准模型中,每个物质都有一个对应的反物质。但超对称理论却说所有物质还有另外一个”超对称”的物质。Lykken说”超物质的存在有可能可以帮助稳定整个宇宙。
我们发现希格斯玻色子,已经是一个不小的发现了,但我们仍然需要尝试去了解它的作用还有所有随之而来的疑问。”
Lykken在他的课堂最后说:”这很可能只是故事的开头,而我跟你们说的不过是故事可能发展的几个方向,但我认为很有可能会有一个没有任何人想到过的意外性的发展。”
[5]
为什么有些基本粒子具有质量,而有些基本粒子的质量却为零
合并图册(2张)
?标准模型的希格斯机制可以解释这问题。根据希格斯机制,有些基本粒子因为与遍布于宇宙的希格斯场彼此相互作用而获得质量,同时也会出现副产品希格斯玻色子。这玻色子是希格斯机制的必然后果,是物理学者长久以来寻觅的对象,假若实验证实希格斯玻色子存在,则可给予希格斯机制极大的肯定,特别是对于为什么有些基本粒子具有质量这问题的解释,也可以确定标准模型基本无误。有些理论不需要假定希格斯玻色子的存在。这些理论称为无希格斯模型。假若希格斯玻色子被证实不存在,则物理学者可能会转而关注这些理论。
研究历史
自1899年英国物理学家
汤姆逊爵士发现
电子开始,时至今日,在一个多世纪的时间里 ,人类一直孜孜不倦地探索着微观世界的奥秘。
1990年,位于
瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)的工作人员通过世界上最大的
正负电子对撞机LEP攫取了115GeV的希格斯粒子,但是他们当时的统计数据不足以做出任何确定的推论。
1995年3月2日,美国费米实验室向全世界宣布他们发现了
顶夸克时,一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个
基本粒子中,除了引力子,其余的60个都已经得到了实验数据的支持与验证,看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利,对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声,似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的,充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲,但是仍然有一个粒子,游离在这座辉煌的大厦之外,仿佛一个幽灵,这就是希格斯粒子,而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。
2010年7月13日,几家国外媒体报道了
意大利帕多瓦大学物理学家托马索·多里戈日前发表的个人博客文章。文中称美国
费米实验室的万亿电子伏加速器(Tevatron)很可能已经发现了希格斯玻色子,即所谓的“上帝粒子”。但14日清晨,《新科学家》却登文辟谣,几乎同时,各媒体纷纷跟进,多里戈亦更新博文以正视听。一时间,卷入者各执一词,讨论版沸沸扬扬。多里戈所谓的“三倍标准差效应”,是指一种关于结果确定性的统计数据,如果他获得的数据属实,从统计学上讲该实验的结果就有99.7%的可能性是发现了希格斯玻色子。通常,一个“五倍标准差效应”(正确的可能性达99.9999%)才能被认为确定性的程度已高到足以证明一个完全合理的新发现,一个“三倍标准差效应”不具有足够确定性,但仍能意味着这是希格斯玻色子存在的一个强有力证据。这正是科学类媒体加深关注的原因。
2011年7月22日,用作模拟宇宙大爆炸的“末日机器”LHC,位于法国与瑞士边境的地底,它的两个实验区域Atlas和CMS以接近光速对撞超过180万亿个质子,从爆炸生成的粒子碎片和量子波动中,各自发现约30个疑似上帝粒子,其质量都是约143十亿电子伏特(GeV)。同时,这些对撞也排除其它上帝粒子出现的“质量范围”。此外,位于美国芝加哥附近的Tevatron粒子加速器也传来好消息,它早前从对撞中发现,在142至148GeV之间出现“大量粒子”,而它们与LHC发现的粒子相似。而这一切如果属实的话,人类或许可能改变对这个世界的认知。
2011年8月,欧洲核子研究中心表示,一些迹象表明,这种粒子也许真不存在,只是人们的“幻想”。该机构2011年8月已经向在印度孟买召开的相关研讨会提交了报告,称通过其大型强子对撞机找到的实验数据都对找到希格斯玻色子的踪迹“意义不大”。与此同时,该中心许多科学家也认为“希格斯玻色子不存在”的可能性越来越大。在粒子物理学的标准模型中,总共预言了62种基本粒子,其中61种都已被验证,唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外。找到这种粒子,就找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石,如证明它不存在,整座大厦就要被推倒重建。欧洲核子研究中心研究主任
塞尔希奥·贝托卢奇说:“如果希格斯玻色子真的不存在,那么它的缺位将使人们的目光转向‘新物理学’。” 许多世界顶级物理研究机构曾试图通过对撞试验寻找希格斯玻色子,都没有成功。
2011年12月,欧洲核子研究中心(CERN)公布了来自大型强子对撞器(LHC)的重要数据,显示“可能看到”有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子(Higgs boson)。该理论可解释粒子为何拥有质量,从而演化为万事万物。人类距离了解宇宙诞生之谜或许将要迈进一大步。
2011年12月13日,欧洲核子研究中心科学家表示,他们发现了希格斯玻色子存在的迹象,这种碎片有时被称为“上帝粒子”,因为它是宇宙中所有物质的质量之源。随后,欧洲科研人员又表示,现有数据无法确切证实,估计可能在2012年年底得到答案。对此,一些科学家提出质疑:1.考虑其它误差后,不能说找到了希格斯玻色子存在的证据。对欧洲实验室13号的结果,综合后的结论是无效的。2.就是找到后,也只能解析为何其它粒子会有质量,而不是给物质以质量。3.有科学家认为,“上帝粒子”是媒体误导的夸大之词。
2012年7月2日, 美国能源部下属的
费米国家加速器实验室宣布,该实验室最新数据“强烈表明”被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在,不过这些数据只是接近证明它的存在。有专家称,如果真能找到希格斯玻色子存在的直接证据,有关发现将获得诺贝尔奖。由于希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子,对完善粒子物理学理论“大厦”有重要意义。一旦它被证伪,“标准模型”理论“大厦将倾”。科学界相信它的存在并认为发现它只是时间问题。
[6]
2012年7月4日,
欧洲核子研究组织(CERN)宣布,
大型强子对撞机(LHC)的
紧凑渺子线圈(CMS)探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子(超过背景期望值4.9个标准差),
超环面仪器(ATLAS)测量到质量为126.5GeV的新玻色子(5个标准差)。这两种粒子极像希格斯玻色子,可还有待物理学者进一步分析来完全确定两个探测器探测到的粒子是否为希格斯玻色子。
2012年7月31日,紧凑μ子线圈实验团队和超环面仪器实验团队又分别提交新的侦测结果,将这种疑似希格斯波色子的玻色子的质量确定为紧凑
μ子线圈的125.3 GeV(统计误差:±0.4、系统误差:±0.5、统计显著性:5.8个
标准差)和超环面仪器的126.0 GeV(统计误差:±0.4、系统误差:±0.4、统计显著性:5.9个标准差)。
2013年3月14日,欧洲
核子研究组织发布新闻稿表示,先前探测到的新
粒子是希格斯玻色子
[1] 。
2014年6月27日,在欧洲原子能研究中心工作的科学家们在对“上帝粒子”希格斯玻色子的属性进行研究,并将其与关于宇宙大爆炸后的另一理论相结合,最后得出“宇宙不存在”这一震惊世界的理论。只是还有许多新的物理学现象无法用这一理论进行解答,故科学家们对宇宙的探索仍在继续进行中。
2015年10月,中科院高能物理研究所宣布中国将于2020年至2025年间开始建造世界最大粒子加速器,这项安装将可让科学家们能更多了解宇宙的运作。中国所建造的这个加速器至少将比由“欧洲核子研究中心(CERN)”建造的目前全球最大加速器的强子对撞机LHC,还要大上两倍;这个加速器建造在法国与瑞士的边界。这项计划所建造的加速器是以前所未有的规模所产生出的数以百万的这些粒子比欧洲的LHC超越了几百代;LHC加速器长27公里,而中国未来建造的粒子加速器长50至100公里。LHC强子对撞机产生了希格斯玻色子,以及还有许多其他种类的粒子。而中国建造的粒子加速器将创造出一个能单单产出希格斯玻色子的高纯度环境。
[7]
2015年12月,欧洲核研究组织(CERN)旗下两组科学家团队表示,已探测到大量伽马射线,而这些过量伽马射线则很可能代表某种尚未知晓的放射性衰变粒子 。这项发现仍还没有最终定论(被证实什么也不是的几率有93分之一),而研究人员们预计,这或代表了一个大粒子正在衰变的过程,亦或者是希格斯玻色子的某种近邻。
[8]
英国物理学家希格斯
1964年,英国物理学家彼得·希格斯(P.W.Higgs)发表了一篇学术理论文章,提出一种粒子场的存在,预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在。他认为,这种玻色子是物质的质量之源,是电子和夸克等形成质量的基础,其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性,进而形成质量,构筑成大千世界。2012年7月4日,当欧洲核研究组织宣布发现一种与“上帝粒子”“一致”的亚原子粒子时[2] ,希格斯说,“难以置信”。
这种理论中的粒子后来被别人以“希格斯”的名称命名,外号“god partical”,意思是
取代上帝创世的粒子。
当其他粒子相继被发现时,48年来,“上帝粒子”始终遁形。
希格斯玻色子被认为是物质的质量之源,“上帝粒子”是1988年
诺贝尔物理学奖获得者
莱德曼对希格斯玻色子的别称。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子,现已成为整个粒子物理学界研究的中心,莱德曼更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”。
希格斯玻色子
在电弱统一理论从建立到获得成功,其中一个关键的因素就是对称性自发破缺推测出来的希格斯玻色子,用它来解释电弱统一理论中的W+、W-、Z0玻色子非零质量的获得机制。到如今,电弱统一理论已经获得了诺贝尔奖从而得到大家普遍的承认,而作为电弱统一理论基础的希格斯玻色子(h0)仍然没有在大家的视野中揭开它神秘的面纱,这个难题一直以来都困扰着所有从事基本粒子研究的爱好者们。虽说到现为止还没有人发现它的踪迹,但很多实验表明了电弱统一理论是完全正确的,这使得人们相信它必然存在,发现它只是时间的问题。科学是一门以事实说话的学问,不是大家想当然的就能解决的问题。因此找到一种合乎自然辩证逻辑的理论是解释现象的关键。
英国物理学家希格斯提出了
希格斯场的存在,并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源,它是
电子和
夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的场中,受其作用而产生
惯性,最终才有了质量。之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。
标准模型预言了62种
基本粒子的存在,60粒子基本都已被实验所证实,而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子,除了
引力子。
理论质疑
在物理学研究中,对“希格斯玻色子”的研究一直是整个宇宙研究的重中之重,由于它被认为是赋予宇宙质量的粒子,并且这一微小让人费解的宇宙颗粒与现有科学理论互不相容。它还有另外一个名字为“上帝粒子”,因为物理学家一开始希望把这个让物理学家颇费功夫寻找的粒子取名为”Goddamn Particle “意为”该死的粒子”。出版者觉得不好,缩写成”God Particle”翻译为”上帝粒子”。对其相关研究显示,“宇宙在‘大爆炸’结束后只出现了瞬间就消失了”。这一发现让所有科学家为之一振并感觉难以接受。如果这一理论是正确的,也就意味着所有的一切都就将面临着重新洗牌的危险。
科学家们将这一理论与先前另一个预测宇宙膨胀的同样富有争议的理论相结合,最后得出宇宙在大爆炸后的零点几秒立刻发生了大收缩的理论。也就是说宇宙是不存在的,人类也是不存在的,这显然违背科学性,这一理论无法解释许多新的物理现象,科学家们认为可能是在研究过程中忽略了一些东西,抑或是还有未被发现的物理粒子的存在。
希格斯场
根据希格斯模型,基本粒子是跟一种看不见的、无所不在的场发生相互作用而获得了质量。一个粒子与希格斯场相互作用越强烈,它拥有的质量就越大。科学家很难向英国政府解释清楚希格斯场,所以在1993年,英国科学部长威廉·瓦多格列佛向科学家发起了挑战,让他们用一页纸的篇幅向他解释希格斯场。瓦多格列佛拿出了一瓶香槟奖给了获胜者,其中就包括英国伦敦大学学院的物理学家戴维·米勒。米勒把希格斯场比作一个房间,房间里均匀分散着一大群为政客聚会服务的工作人员。一个无关紧要的人可以不受阻碍地在人群中穿来穿去。然而,如果是时任英国首相撒切尔夫人到场,一定会吸引大量的关注:聚会工作人员会围拢在她周围,减慢她穿行的速度,使她带上某种“质量”。
[3]
科学家们建立起被称为标成两大类:
费米子与
玻色子。标准模型的缺陷,即是该模型无法解释物质质量的来源。在本质上,这个场就像一池黏黏的蜜糖,除了非质量的基本粒子,通过此场的时候,会将粒子转变成带有质量的粒子,就像是原子的成分。在标准模型中,希格斯粒子包含了一个中性与两个带电成分的区域。两个带电和一个中性区域皆是
Goldstone玻色子,是纵向三极化分量带质量的Q+、 W–和Z 玻色子。
维持中性成分的量子对应到具有质量的希格斯粒子。既然希格斯场是一个
标量场,希格斯粒子没有
自旋,也就没有内在的角动量。标准模型没有预测希格斯玻色子的质量。如果质量在115和180 GeV/c2之间,则标准模型的能量等级可以有效直到
普朗克尺度(1016 TeV)。
许多理论学家预测新的物理学会建构在标准模型之上能量在TeV的尺度,基于不足的标准模型性质。希格斯粒子(或其他的电弱对称机制)可能的最大质量是1.4 TeV;除了这一点,标准模型变的不相容,因为统一性违反了一些
散射的过程。许多超对称性的模型预测出最轻的希格斯粒子的质量比现实验在高一点,大约120 GeV或者更低。
标准模型
粒子物理学在上个世纪50年代,经历了一个短暂的困难时期,按照诺贝尔奖得主,
电弱统一理论提出者之一的
斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”,几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答,从60年代开始,基于杨-米尔斯的非
阿贝尔规范场理论,逐步构建完成了现代的标准模型理论。今天,标准模型早已成为粒子物理学的主流理论,它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、
弱作用力及
电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于
量子场论的范畴,但是没有描述重力。
标准模型包含
费米子及
玻色子两类——费米子为拥有半整数的自旋并遵守
泡利不相容原理(这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态)的粒子;玻色子则拥有整数
自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单地说,费米子组成物质的粒子,而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与
量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于
规范场论,即把费米子跟玻色子配对起来,以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的
拉格朗日函数在规范变换中都不变,所以这些中介玻色子就被称为“
规范玻色子”。
标准模型所包含的玻色子有:负责传递电磁力的
光子;负责传递弱核力的W及
Z玻色子;负责传递强核力的8种
胶子。
根据标准模型理论,宇宙空间中的各处,无论是真空中还是空气中,甚至是物质的内部,都充满了希格斯粒子(希格斯场)。希格斯粒子被认为是生成基本粒子的“质量”之源。虽然质量总是与“重量”联系在一起,严格说起来是不一样的。质量应该是反映“物质运动的难易程度”(更为正确的说法是“改变物质速度的难易程度”)的物理量
[9] 。
为什么有些基本粒子具有质量,而有些基本粒子的质量为零?标准模型的希格斯机制可以解释这问题。根据希格斯机制,有些基本粒子因为与遍布于宇宙的希格斯场彼此相互作用而获得质量,但同时也会出现副产品希格斯玻色子。这玻色子是希格斯机制的必然后果,是物理学者长久以来寻觅的对象,假若实验证实希格斯玻色子存在,则可给予希格斯机制极大的肯定,特别是对于为什么有些基本粒子具有质量这问题的解释,也可以确定标准模型基本无误。有些理论不需要假定希格斯玻色子的存在。这些理论称为无希格斯模型。假若希格斯玻色子被证实不存在,则物理学者可能会转而关注这些理论。
希格斯玻色子也是一种玻色子,然而它与上述这些规范玻色子不同,希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺,是
惯性质量的来源,因此并不是规范玻色子。那么为何质量问题如此重要呢?要解答这个问题,必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中,
杨-米尔理论无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题,由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量,然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合,如果不能解决质量问题,将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制,即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求,使得
物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性,然而到了1962年,每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子,这无疑也是不可能的。1964年,英国物理学家希格斯(Higgs)解决了这个问题,使得自发对称性破缺发生时,那个无质量无自旋粒子仍然存在,但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量,从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴,标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现所谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺,同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。
这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因,可以说它是整个标准模型的基石,如果希格斯粒子不存在,将使整个标准模型失去效力。
其他模型
以下并没有得到进一步确认
美国进行的一项新的原子撞击实验结果显示,所谓的“上帝
粒子”实际上可能是5种截然不同的粒子。一些理论家认为希格斯玻色子并不单单指一种粒子,而是多种质量相似但所带电荷存在差异的粒子。美国伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的研究人员指出,他们发现了能够证明这种“多种粒子理论”的证据。有关“上帝粒子”的单一粒子理论就此面临挑战。
在
费米实验室万亿电子伏粒子对撞机曾经进行的一项名为“DZero”的实验中,科学家发现质子和反质子相撞更多地是产生物质粒子而不是
反物质粒子。研究报告联合执笔人、费米实验室理论物理学家
亚当·马丁表示,两者之间相差很少,不到1%,但无法利用假定只存在一种希格斯玻色子的标准模型加以解释。同时他认为这种影响实际上非常小,如果将标准模型中所有最初原则考虑在内,这种影响仍远远超过科学家的想象。
标准模型假设只存在一种希格斯粒子,无法解释DZero实验的结果。如果科学家假定希格斯玻色子实际上是指5种粒子——也就是对标准模型进行扩展,形成双希格斯二重态模型——DZero实验的结果便可以解释。
亚当·马丁表示,在对标准模型进行扩展时,加入了新的粒子和新的交互作用。新的交互作用对物质和
反物质区别对待,因此能够促使实验中出现更大的影响。
GeV/c^2是基本粒子质量的一个单位,其中GeV是10亿电子伏特,c^2是光速的平方。根据爱因斯坦的
质能公式,物质的能量等于质量乘以光速的平方,因此,以电子伏特为单位的能量除以光速的平方,就用来衡量粒子的质量。
希格斯玻色子是物理学基本粒子“标准模型”理论中最后一种未被发现的基本粒子,其自旋为零,其他粒子在希格斯玻色子作用下产生质量,为宇宙形成奠定基础。迄今为止,“标准模型”预言的其他粒子都已发现,但希格斯玻色子的存在尚未在实验中证实,它又被称为“上帝粒子”。一旦研究证实希格斯玻色子不存在,“标准模型”理论将被推翻。
1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在其与和泰雷西合著的《上帝粒
物理学家莱德曼
子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》的结尾充分流露出了物理学家们对终极前景的渴望,他这样写道:“天空中出现了一道炫目的光芒,一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下,也可能是在斯特拉文斯基的短笛独奏《春之祭》中,天空中的光慢慢地变成了上帝的脸,微笑着,但带着极度甜蜜的悲伤表情。”