詳解上帝粒子.doc

詳解上帝粒子條總評論如果把物質(zhì)分割得越來越小，會發(fā)生什么？最終，你會得到構(gòu)成物質(zhì)的分子或者原子。但這些東西還能進一步分解成電子和原子核。而原子核又可以繼續(xù)被分割成構(gòu)成它們的質(zhì)子和中子。它們的內(nèi)部則是夸克。到了這一步，你就已經(jīng)抵達了標準模型（我們當前的粒子物理學(xué)理論）之中，我們視為是基本的那一層面。不管你一開始分割的是什么物質(zhì)，到了這個地步，你都會得到一大堆夸克和一大堆電子之類的粒子?？淇耸聦嵣线€可以分成6種：構(gòu)成質(zhì)子和中子的是較輕的上夸克和下夸克，另外還有較重的奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。電子則屬于另外6種粒子構(gòu)成的另一個家族，即輕子：包括電子的兩種質(zhì)量更重的“表親”子和子，以及與它們一一對應(yīng)的3種幾乎沒有質(zhì)量的中微子。所有這12種物質(zhì)粒子，被統(tǒng)稱為“費米子”，都各自擁有一種與它們完全相同、只是電荷相反的反物質(zhì)粒子。就是這樣了。物質(zhì)不可能再分割到比這些基本粒子更小了。如此簡潔的基本粒子組合，與實驗事實完美吻合，但其中隱藏著一個令人費解的難題。所有這些物質(zhì)粒子都有一個屬性，被稱為“質(zhì)量”這是一種抗拒被移來移去的屬性。不同粒子的質(zhì)量各不相同，從質(zhì)量最輕的電子中微子到質(zhì)量最重的頂夸克，跨越超過11個數(shù)量級之多。這些質(zhì)量來自何方，為什么又如此千差萬別呢？破缺的對稱在標準模型之中，構(gòu)成物質(zhì)的費米子通過作用力發(fā)生相互作用，而作用力是由另一大類被稱為“玻色子”的粒子傳遞的。以電磁力為例，是它使得原子能夠形成，驅(qū)動電流在我們的電器中奔騰，而傳遞電磁力的玻色子則是光子。光子與物質(zhì)的相互作用取決于電荷的多寡：電子（攜帶1個負電荷）感受到的電磁力，就要強于夸克（攜帶- 或者+ 個電荷）。不帶電荷的中微子，根本感受不到電磁力?？淇诉€擁有各自的“色荷”，被稱為膠子的粒子依據(jù)色荷產(chǎn)生強核力。這種力要比電磁力強得多，但奇怪的是，膠子本身也攜帶色荷，因而會彼此粘黏在一起。于是，我們從未見到過夸克和膠子以游離態(tài)的形式自由自在地漫游，只能在質(zhì)子和中子之類的粒子內(nèi)部才能看到它們強核力的作用范圍也不會超出亞原子尺度的范疇。至于標準模型中的第三種作用力，弱核力的強度相當弱，但如果沒有它，驅(qū)動太陽和其他恒星的放射性衰變就不會發(fā)生。這種力之所以微弱，大約是因為攜帶這種力的粒子W玻色子和Z玻色子質(zhì)量幾乎是質(zhì)子的100倍。創(chuàng)造出這樣的粒子需要大量能量。在通常條件下，如果可以的話，物質(zhì)粒子更愿意交換沒有質(zhì)量的光子來發(fā)生相互作用。在極高的能量下，比如在宇宙誕生的最初一瞬間，或者粒子加速器的對撞當中，這些差異就消失了。電磁力和弱核力，在日常生活中相差如此之巨的兩種作用力，變成了統(tǒng)一的“弱電力”。弱電力分裂成電磁力和弱核力的過程，被稱為弱電對稱破缺，必定發(fā)生在宇宙早期的某一時刻。不管是什么導(dǎo)致了這一過程的發(fā)生，它與質(zhì)量之謎都有著明顯的關(guān)聯(lián)。畢竟，通過這一機制，W玻色子和Z玻色子獲得了質(zhì)量。希格斯玻色子最初就是提出來解釋這個對稱為什么會破缺的。概念的誕生對稱破缺并不僅限于奇異的作用力。日常生活中我們都會遇到一個例子，那就是液體冷卻后變成固體。對于液體來說，從所有方向上看過去，它都是一樣的。而對于固體來說，沿著不同的軸向看過去，它的樣子會有明顯的區(qū)別。在這個過程中，前面這種廣義上的對稱狀態(tài)被后面這種不太對稱的狀態(tài)取代了。上世紀60年代，粒子理論學(xué)家開始研究，能不能發(fā)展出一些工具來描述這種對稱破缺，以便應(yīng)用于不斷冷卻的宇宙。這絕非易事。固體或液體之中分子的相互作用，可以通過一套固定的參照坐標系來定義，然而由于愛因斯坦的廣義相對論，在宇宙之中你找不到這樣一個標準的參照系。1964年，比利時理論學(xué)家羅伯特布繞特（Robert Brout）和弗朗索瓦恩格勒（Fran ois Englert）提出了量子場方程，這種場能夠彌漫于整個宇宙，在符合相對論的前提下產(chǎn)生弱電對稱破缺。英國物理學(xué)家彼得希格斯（Peter Higgs）提出了同樣的方程，并且指出這個場中的漣漪會表現(xiàn)為一種新的粒子。同年稍晚些時候，杰拉德古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾哈庚（Carl Hagen）和湯姆基博爾（Tom Kibble）將這些概念整合成了一種更為現(xiàn)實的理論這就是標準模型的前身。后來被稱為希格斯場的這個東西，它的中心思想就在于：即使處于最低能的狀態(tài)，空間也絕非空無一物。在空間中穿行的粒子或多或少會與這個場發(fā)生作用，這種作用使粒子在運動時產(chǎn)生了一種“粘黏”的特性，也就是質(zhì)量。W玻色子和Z玻色子通過與這個場的某種相互作用獲得了它們的質(zhì)量，費米子則通過另外一種相互作用獲得了質(zhì)量。由于希格斯場不攜帶凈的電荷或者色荷，光子和膠子根本不與它發(fā)生作用，因此仍然沒有質(zhì)量。這是個漂亮的花招。為了找出還有沒有更多的東西，我們需要曝光希格斯場，方法就是讓它產(chǎn)生漣漪，而那些漣漪會被我們看成為希格斯玻色子。理論和實驗的發(fā)展讓我們對所需的能量有了一個很好的估計：希格斯玻色子的質(zhì)量必定介于大約100 GeV到400 GeV之間。我們需要找一個相當巨大的機器才行。新粒子現(xiàn)身希格斯玻色子是短命的粒子，幾乎會在一瞬間就衰變成其他粒子。為了推斷出它的存在，我們必須測量這些衰變產(chǎn)物，尋找它們是從一個希格斯粒子衰變而來的證據(jù)。幸運的是，標準模型預(yù)言出了我們需要知道的、有關(guān)希格斯玻色子的一切除了它確切的質(zhì)量。對于每一個可能的質(zhì)量，我們能夠預(yù)言大型強子對撞機（LHC）中能夠產(chǎn)生的希格斯粒子的數(shù)量，并且預(yù)言它們會衰變成什么。例如，希格斯粒子有時應(yīng)該會衰變成一對高能光子。由于粒子衰變時動量守恒，這兩個光子的動量就可以換算為產(chǎn)生這兩個光子的粒子的質(zhì)量。許多現(xiàn)象都會產(chǎn)生一對光子，但如果我們專注于那些看上去像是希格斯玻色子產(chǎn)生的光子，然后把它們的動量繪制在一張圖表上的話，在對應(yīng)于特定質(zhì)量的動量數(shù)值上就會出現(xiàn)一個“鼓包”某種未知的粒子就會以這樣的形式顯現(xiàn)出來。ATLAS和CMS都在質(zhì)量相當于大約125 GeV的位置上看到了這樣的鼓包。2012年7月4日，他們向全世界宣布了這一結(jié)果。這并不是唯一的證據(jù)。希格斯玻色子還應(yīng)該會衰變成兩個Z玻色子，然后再進一步衰變成兩個輕子。把這些輕子的動量加在一起，在光子數(shù)據(jù)中相當于同樣質(zhì)量的位置上，也產(chǎn)生出了一個峰值。W玻色子也提供了它們的證據(jù)。這些粒子衰變成為中微子，后者還沒有被檢測到，因此在這個實驗中還沒有出現(xiàn)明確的質(zhì)量鼓包。相反，我們只看到了更多的W玻色子衰變，數(shù)量比希格斯玻色子不存在的情況要多?？偠灾@些證據(jù)剛好足夠達到宣稱發(fā)現(xiàn)的“5”黃金標準，表明這一發(fā)現(xiàn)大概只有1/3500000的可能性是隨機統(tǒng)計噪聲所造成的假象。在那之后，對于那里真的存在一個粒子，我們的確定性還在進一步增長。不過，我們還必須進行更多的實驗，才能確定它是不是我們所認為的希格斯玻色子。ATLAS和CMS當兩個質(zhì)子在大型強子對撞機的ATLAS和CMS探測器的核心對撞時，它們會分解成構(gòu)成質(zhì)子的夸克和膠子，進而衰變成朝各個方向四散奔逃的大量粒子。這些探測器的任務(wù)就是測量或者分辨這些碰撞產(chǎn)物。每個探測器都由一系列同心環(huán)構(gòu)成。距離碰撞點最近的同心環(huán)由半導(dǎo)體構(gòu)成。如果帶電粒子穿透這層半導(dǎo)體，被松散約束在這種材料的原子之中的電子就會被釋放出來，形成特定的電流，讓科學(xué)家能夠精確測量這些粒子的穿行路線。探測器周邊的磁場會彎曲這些帶電粒子的路線，彎曲的程度表明了這些粒子的動量。再向外一個同心環(huán)，則由填充著液態(tài)氬（ATLAS）或者鎢酸鉛晶體（CMS）的探測器構(gòu)成。與這些探測器中密集排列的原子發(fā)生的碰撞，會讓大多數(shù)粒子停滯在其中，這些粒子減速時發(fā)出的光子可以用來測量那些粒子的能量，從而鑒別它們的身份。電子較重的“表親”，也就是子，不會在這些探測器中止步，但更外一層同心環(huán)中的專用探測器會鑒別和測量它們。對于更難以捉摸的中微子，則完全沒有進行測量。它們的存在是通過統(tǒng)計碰撞中產(chǎn)生的所有其他粒子的動量而推斷出來的。每次都有許多質(zhì)子質(zhì)子同時發(fā)生碰撞，這些碰撞產(chǎn)生的粒子接近光速向外飛出，而需要仔細研究的碰撞必須盡快篩選出來，因為不到50納秒之后，又會有另外兩束質(zhì)子在探測器的核心發(fā)生對撞。大型強子對撞機目前正在升級，升級完成之后，這個時間會縮短到25納秒。如此大量的數(shù)據(jù)，會傳送到世界各地被連接在一起的計算機中，經(jīng)由大量計算來鑒別希格斯玻色子是否存在。大型強子對撞機愛因斯坦提出的最著名的一個方程，E = mc2，將能量和質(zhì)量聯(lián)系在了一起。后果之一便是，當大質(zhì)量粒子高速對撞在一起時，釋放出來的能量能夠用來創(chuàng)造出其他的大質(zhì)量粒子。瑞士日內(nèi)瓦附近CERN的大型強子對撞機，已經(jīng)花了兩年時間，將能量高達4 TeV的質(zhì)子對撞在一起。將攜帶這么多額外能量的兩個質(zhì)子對撞在一起，理論上，你能夠創(chuàng)造出8000多個質(zhì)子。LHC位于一條27千米長的隧道之內(nèi)。通常，它被描述為一個環(huán)，但實際上，它更像是一個邊角有些圓的八邊形。在直線段，強大的電磁場給兩束相對運行的質(zhì)子束注入能量，每次經(jīng)過都會給它們加速。等到對撞時，它們的速度已經(jīng)達到了光速的99.999999991%。要弄彎如此高速運動的粒子束，你需要非常強大的磁鐵。電阻帶來的任何能量損失，都會成為運行時的短板，因此磁鐵必須由超冷的超導(dǎo)材料制成。即使如此，它們也只能把粒子束弄彎一點點這就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。在八邊形的4個邊上，更多磁鐵將質(zhì)子束約束到還不到人頭發(fā)絲粗細，然后讓它們迎頭相撞。4個大型探測器：ATLAS、CMS、LHCb和ALICE，會在各個碰撞點上記錄碰撞結(jié)果。ATLAS和CMS是全功能探測器，設(shè)計用來測量到底撞出了什么東西包括搜尋轉(zhuǎn)瞬即逝的希格斯玻色子。尚未回答的問題標準模型是一個巨大的成功。然而，就算有了希格斯玻色子為它加冕，它也仍然是不完整的。引力在標準模型中明顯缺席，而且它也無法解釋暗物質(zhì)這種東西只能通過它的引力作用在天文觀測中被察覺到。接下來還有一個謎題：為什么物質(zhì)會比暗物質(zhì)多這么多，因為標準模型預(yù)言，它們的數(shù)量應(yīng)該差不多是相等的。粒子物理學(xué)的下一步，必須要解釋這些謎題。比如，我們有可能在大型強子對撞機的質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子，或者在深埋于礦井和坑道之中的幾個實驗裝置中避開宇宙線的干擾而搜尋暗物質(zhì)粒子的蹤跡。另一種途徑是，我們或許可以觀察空間中兩個暗物質(zhì)粒子湮滅而產(chǎn)生的高能粒子來間接地觀察暗物質(zhì)，比如正在國際空間站上展開實驗的阿爾法磁譜儀（AMS）。至于反物質(zhì)，CERN的實驗或許可以制造并且存貯它們，我們甚至在正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）中利用它們來幫助醫(yī)生診斷癌癥。LHCb實驗裝置會檢測質(zhì)子質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生的短命粒子的衰變，尋找反物質(zhì)粒子何以如此稀少的證據(jù)。中微子也可能會提供一些幫助。這些幽靈一般的粒子在空間中穿行時，會在3種中微子之間相互變換。在中國和韓國之間測量不同中微子混合程度的實驗暗示，正反物質(zhì)的失衡可能也存在于中微子當中。自然界中觀察到的正反物質(zhì)差異，和標準模型的預(yù)言之間存在的巨大鴻溝，或許可以借此得以彌補。更古怪的是，中微子的質(zhì)量甚至有可能根本不是通過希格斯機制獲得的。因為中微子不攜帶任何的“荷”，它自己就是自己的反物質(zhì)。果真如此的話，它的質(zhì)量可能來自于它與自身的相互作用，而并非來自于它同希格斯場的相互作用。靈敏的地下實驗裝置正在尋找極其罕見的核衰變，那些衰變或許會告訴我們答案。符合標準模型嗎？如果承認已經(jīng)誘捕到的就是希格斯玻色子，我們就沒有任何轉(zhuǎn)還的余地了因為標準模型已經(jīng)預(yù)言了關(guān)于它的所有一切。盡管我們相當確定，新發(fā)現(xiàn)的粒子正如希格斯粒子那樣會衰變成攜帶作用力的玻色子，但我們還不太確定它會不會衰變成構(gòu)成物質(zhì)的費米子。在更為罕見（或者說隱藏更深）的衰變中，希格斯粒子會衰變成底夸克、子，甚至子。升級之后的大型強子對撞機應(yīng)該能夠精確地測量這些衰變。標準模型還對希格斯粒子應(yīng)該如何與頂夸克發(fā)生相互作用給出了明確的預(yù)言。（希格斯粒子無法衰變成頂夸克，因為頂夸克太重了。）任何不同于預(yù)言的偏差，都將為新物理學(xué)提供一絲跡象。最讓人捉急的問題在于這個粒子的質(zhì)量。在標準模型中，希格斯粒子與它自身及周圍粒子的相互作用似乎暗示，它應(yīng)該擁有巨大的質(zhì)量。但大型強子對撞機中發(fā)現(xiàn)的這個粒子，質(zhì)量要小得多。對標準模型加以“微調(diào)”，讓兩個巨大的數(shù)字幾乎（但又不完全）相互抵消，應(yīng)該能夠解決這個問題，使得希格斯粒子擁有較小的質(zhì)量。但許多人不喜歡這種修正，認為這樣的修正讓理論變得有點不自然了。一個受人歡迎的提議能夠解決這個問題，那就是超對稱。這種理論通過費米子和玻色子之間的一種對稱，擴展了標準模型。它預(yù)言了一大批新粒子，每一個玻色子都有一個費米子與它對應(yīng)，反之亦然。這些新粒子之間的相互作用，能夠自然而然地抵消使得希格斯粒子質(zhì)量增大的那些因素。問題在于，不論是大型強子對撞機，還是任何其他設(shè)備，目前都還沒有看到任何證據(jù)表明存在這些粒子事實上，它們沒有找到任何證據(jù)支持任何超越標準模型的理論所作的預(yù)言。如果我們找到了一個希格斯粒子，卻沒有找到任何其他東西，或許我們就必須承認，自己生活在一個看似有點不太自然的世界之中。又或者，我們只是漏過了標準模型自身的某些細微之處。而最讓人激動人心的事情莫過于，在標準模型之外還有另一層全新的宇宙結(jié)構(gòu)在等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。是希格斯粒子嗎？等到大型強子對撞機在2015年年初重啟之時，它會以更高的頻率碰撞粒子，能量則比升級前幾乎翻番。如此一來，科學(xué)家便能探測新發(fā)現(xiàn)粒子的若干特性，檢驗它到底是不是給所有其他粒子賦予質(zhì)量的那個粒子。自旋便是有待探測的特性之一。希格斯玻色子之所以被歸類為玻色子，是因為理論預(yù)期它的自旋應(yīng)該為整數(shù)這就使它與光子之類攜帶作用力的粒子被歸入了同一大類。目前發(fā)現(xiàn)的所有玻色子，自旋都為1；而構(gòu)成物質(zhì)的粒子，比如夸克和電子，自旋都為半整數(shù)（比如1/2）。但是，希格斯粒子并不是作用力的攜帶者。作為賦予其他所有粒子質(zhì)量的一個背景場所產(chǎn)生的粒子，希格斯粒子必定能夠與所有其他粒子發(fā)生相互作用，不管它們自旋是多少這種情況，只有當它的自旋為0時，才有可能出現(xiàn)。目前的證據(jù)已經(jīng)相當具有說服力，但對這種新粒子的衰變產(chǎn)物的角分布進行更精確的測量將告訴我們，有沒有什么變故隱藏在其中。另一個關(guān)鍵問題在于，新發(fā)現(xiàn)的粒子如何與W玻色子和Z玻色子發(fā)生相互作用?？茖W(xué)家認為，正是通過這些相互作用，希格斯玻色子才把弱電力分割成了電磁力和弱核力?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)有一只腳站在了更堅實的土壤之上：新粒子衰變成W玻色子和Z玻色子的概率與標準模型預(yù)言的希格斯玻色子大致相符。進一步的測量或許會揭示它與標準模型的細微差異，也可能會揭示某些擴展模型中預(yù)言的其他希格斯玻色子。但是，我們已經(jīng)了解到了足夠多的信息，把新發(fā)現(xiàn)的粒子稱為某種希格斯玻色子，肯定是沒錯的。原標題：上帝粒子預(yù)言者摘諾貝爾物理學(xué)獎8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將今年物理學(xué)獎授予英國物理學(xué)家彼得希格斯和比利時物理學(xué)家弗朗索瓦恩格勒，以表彰他們對希格斯玻色子(又稱“上帝粒子”)所做的預(yù)測，上帝粒子是賦予其他粒子質(zhì)量的粒子。1964年首次提出該理論諾貝爾物理學(xué)獎原定于北京時間8日17：45公布，推遲1小時后于18：45公布。瑞典皇家科學(xué)院宣讀了獲獎理由，稱這二人的理論“幫助我們理解亞原子粒子質(zhì)量起源機制，而且歐洲核子研究所的大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)的基本粒子，證實他們的理論”。1964年，比利時物理學(xué)家羅伯特布魯特和恩格勒首次提出粒子如何得到質(zhì)量的理論，一個月后，希格斯也發(fā)表論文明確提出存在一個新粒子的概念，該粒子后被稱為“上帝粒子”，因被認為可對質(zhì)量做出解釋，所以或可能解釋了宇宙形成。去年7月4日，歐洲強子對撞機終于發(fā)現(xiàn)特征與設(shè)想中的上帝粒子吻合的新粒子。兩獲獎?wù)呷ツ晔状我娒鎸τ讷@獎，恩格勒表示，“我非常非常開心”。談及獲獎感受，他說在1964年發(fā)表論文時，沒想到希格斯玻色子會被發(fā)現(xiàn)。對于獎金，恩格勒說還沒想這個問題。談到另一位獲獎?wù)撸f自己只在去年7月才第一次見到希格斯，接下來見希格斯時會向他表示祝賀，“他做出了很重要，很杰出的工作。”昨日，希格斯本人也發(fā)表聲明稱得獎十分驚喜，希望此次諾獎頒獎能夠引發(fā)更多對基礎(chǔ)學(xué)科的重視。研究伙伴去世未獲獎恩格勒和希格斯均年過80，在過去半個世紀中，他們一直在等待理論被驗證，去年大型強子對撞機宣布發(fā)現(xiàn)上帝粒子時，希格斯當場流下熱淚。遺憾的是畢生榮譽，奈何來遲，與恩格勒同時發(fā)表論文的羅伯特布魯特在2011年去世，因此不在授獎范圍內(nèi)。這一結(jié)果也令歐洲核子研究所（CERN）異常興奮。“今年諾貝爾獎給了粒子物理，我無比高興，”該研究所主席拉夫霍爾說，“去年CERN發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這是全球很多人在數(shù)十年中做出的集體智力貢獻的結(jié)晶。” 專家點評“獲獎毫無懸念”中科院理論物理研究所研究員李淼認為，今年的諾獎頒給希格斯和恩格勒“一點都不意外”，他在此前也準確猜測這兩人會獲獎。去年希格斯就是物理學(xué)獎熱門候選人之一，但最終沒獲獎，李淼對此認為，可能因為去年這個時候，從實驗角度而言，把握沒有今年這么大。歐洲強子對撞機在2011年年底就發(fā)現(xiàn)新粒子蹤跡，但當時證據(jù)并不是很強，此后，其不斷積累數(shù)據(jù)，去年7月份有足夠證據(jù)顯示的確是發(fā)現(xiàn)了新粒子。雖然上帝粒子得獎呼聲很高，但一些分析人士也認為該研究尚需時間考驗。李淼認為，“雖然還不能100%就是上帝粒子，但我覺得基本上是對了，至少99%以上可判斷就是上帝粒子。所有發(fā)現(xiàn)的細節(jié)、特點都和上帝粒子完全吻合。這說明我們的基礎(chǔ)物理理論已經(jīng)完備，所有預(yù)言的都發(fā)現(xiàn)了”。昨日，瑞典皇家科學(xué)院的新聞通稿標題叫終于到來，以顯示頒給兩人諾獎的必然性。有科學(xué)媒體甚至評價說，如果今年不把物理學(xué)獎頒給上帝粒子預(yù)測者，將是瑞典皇家科學(xué)院的丑聞。唯一的懸念是到底頒給哪位上帝粒子的預(yù)測者，除希格斯等三位歐洲科學(xué)家，之后還有三人對該理論進行了完善。此外，真正發(fā)現(xiàn)上帝粒子、做出具體實驗工作的還有歐洲核子研究所。對于此次獲獎組