希格斯玻色子

1、希格斯說希格斯玻色子將很快被發(fā)現(xiàn)據(jù)新華社日內(nèi)瓦2008年4月12日電在40多年前預言了希格斯玻色子存在的英國物理學家彼得·希格斯，日前在參觀歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）時對媒體說：“幾乎可以確定，很快就可以發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子?！毕８袼共Ｉ颖徽J為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，它是“標準模型”這一粒子物理學理論中最后一種未被證實的粒子，但是它的存在卻是整個“標準模型”的基石。 因此，它被稱為粒子物理學的“圣杯”，也被稱為“上帝粒子”，充滿了神秘色彩。自從希格斯預言這一粒子存在以來，科學家們就一直試圖在實驗中發(fā)現(xiàn)該粒子從而證實其存在，但至今所有努力均告失敗。于2003年開始興建的歐洲大型

2、強子對撞機位于法國和瑞士邊境地區(qū)地下100米深、約27公里長的環(huán)形隧道中，耗資總計約20億美元，預計將于今年6月正式開始運行。屆時，它將憑借能使單束粒子流能量達到7萬億電子伏特而成為世界上能級最高的對撞機?？茖W家普遍期望在這一對撞機的幫助下，能夠在前所未有的對撞能量下取得包括發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子在內(nèi)的新發(fā)現(xiàn)。不過希格斯認為，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子未必一定需要大型強子對撞機的幫助。他說，迄今已運行多年的美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）可能已經(jīng)獲得了希格斯玻色子存在的數(shù)據(jù)，“這是可能的希格斯玻色子的身影可能已存在于他們獲得的數(shù)據(jù)中了，只是還沒有從數(shù)據(jù)分析中找到而已”。新聞資料粒子物理學

3、的“圣杯”希格斯玻色子人們早已發(fā)現(xiàn)，自然界中物體之間千差萬別的相互作用，可以簡單劃分為4種力：即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產(chǎn)生放射衰變的弱作用力。在愛因斯坦的相對論解決了重力問題后，人們開始嘗試建立一個統(tǒng)一的模型，以期解釋通過后3種力相互作用的所有粒子。經(jīng)過長期研究和探索，科學家們建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學理論，它把基本粒子（構(gòu)成物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu)）分成3大類：夸克、輕子與玻色子。“標準模型”的出現(xiàn)，使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”。但是這一“家園”有個致命缺陷，那就是該模型無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源。為了修補上述理論大廈的缺陷，英國科學家彼得·希格斯提

4、出了希格斯場的存在，并進而預言了希格斯玻色子的存在。假設出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。爾后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于“標準模型”之下，構(gòu)筑成大千世界?！皹藴誓Ｐ汀鳖A言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實驗所證實，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。因此，尋找該粒子，被比喻為尋找粒子物理學領域的“圣杯”。尋找上帝粒子Higgs boson一、Higgs boson的前世今身從上世紀初的興起和繁盛，粒子物理學在50年代經(jīng)歷了一個短暫

5、的困難時期，幾乎當時已經(jīng)應用的理論都遇到了很大的問題，這些困惑激勵著物理學家們給出新的解答，從60年代開始，基于楊-米爾斯的非阿貝爾規(guī)范場理論，逐步構(gòu)建完成了現(xiàn)代的標準模型理論（the Standard Model Theory）。今天，標準模型早已成為粒子物理學的主流理論，它的很多預言不斷為一個又一個激動人心的實驗成果所證實。標準模型是一套描述強作用力（the strong nuclear force）、弱作用力(the weak nuclear force)及電磁力(the electrom

6、agnetic force)這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它屬于量子場論的范疇，但是沒有描述重力。      標準模型包含費米子及玻色子兩類-費米子為擁有半整數(shù)的自旋并遵守泡利不兼容原理的粒子；玻色子則擁有整數(shù)自旋而并不遵守泡利不兼容原理。簡單地說，費米子組成物質(zhì)的粒子，而玻色子負責傳遞各種作用力。電弱統(tǒng)一理論與量子色動力學在標準模型中合并為一。這些理論都基于規(guī)范場論，即把費米子跟玻色子配對起來，以描述費米子之間的力。由于每組中介玻色子的拉格朗日函數(shù)在規(guī)范變換中都不變，所以這些中介玻色子就被稱為“規(guī)范玻色子”。

7、      標準模型所包含的玻色子有：負責傳遞電磁力的光子；負責傳遞弱核力的W及Z玻色子；負責傳遞強核力的8種膠子。Higgs boson，也是一種玻色子，然而它與上述這些規(guī)范玻色子不同，Higgs boson負責引導規(guī)范變換中的對稱性自發(fā)破缺，是慣性質(zhì)量的來源，因此并不是規(guī)范玻色子。楊-米爾斯方法無論應用到弱還是強相互作用中所遇到的主要障礙就是質(zhì)量問題，由于規(guī)范理論規(guī)范對稱性禁止規(guī)范玻色子帶有任何質(zhì)量，然而這一禁忌卻與實驗中的觀測不相符合，如果不能解決質(zhì)量問題，將使得整個研究失去基礎。一開始人們試圖通過自發(fā)對稱破

8、缺機制，即打破規(guī)范理論中對拉氏量對稱性的嚴格要求，使得物理真空中的拉氏量不再滿足這種對稱性，然而到了1962年，每一個自發(fā)對稱性破缺都被證明必定伴隨著一個無質(zhì)量無自旋粒子，這無疑也是不可能的。1964年，英國物理學家希格斯（Higgs）解決了這個問題，使得自發(fā)對稱性破缺發(fā)生時，那個無質(zhì)量無自旋粒子仍然存在，但它將變成規(guī)范粒子的螺旋性為零的分量，從而使規(guī)范粒子獲得質(zhì)量。這一方法被今天的標準模型所借鑒，標準模型通過引入基本標量場Higgs場來實現(xiàn)謂Higgs機制。通過Higgs場產(chǎn)生對稱性破缺，同時在現(xiàn)實世界留下了一個自旋為零的Higgs boson粒子。這樣我們也就明白了為何希格斯粒子

9、如此重要的原因，可以說它是整個標準模型的基石，如果希格斯粒子不存在，將使整個標準模型失去效力。而LHC就是為了尋找Higgs是否存在而設計的，這個擁有前所未有的規(guī)模的大計劃拉開了粒子物理的新篇章，關系到Higgs的存在與否，人們異常關注它的動態(tài)。 二、踏上尋找Higgs boson的漫漫征程LHC是西歐核子研究中心（CERN）正研發(fā)致力于尋找Higgs boson的大型質(zhì)子-質(zhì)子對撞機（Large Hadron Collider ），之所以引人注目的是它的規(guī)模，位于法國與瑞士邊境交界處地下周長27公里的環(huán)形加速器，經(jīng)過20年的準備和籌

10、劃，投資數(shù)十億歐元，擁有來自世界各地的6000余位專家，共有ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS），CMS（Compact Muon Solenoid），ALICE（A Large Ion Collider Experiment ）和LHCb四個探測器單元。主要捕獲并分析碰撞后的碎片，除了Higgs，尋找超對稱粒子（sparticles）和其它可能的新物理，研究電弱對稱性破缺機制也是LHC的重要目標。從能量來看，單它的質(zhì)心系能量就達到驚人的14 TeV(

11、0;electron-volts)，并可使每秒發(fā)生數(shù)十億次的質(zhì)子對撞，這是前所未有的，目前擁有最高能量對撞的是美國費米實驗室的Tevatron加速器，使質(zhì)子-反質(zhì)子對撞能量達到2 TeV，雖然14 Tev的能量不超過14只飛行中的蚊子的能量，但當它集中在如此小的體積時就使實驗中的能量密度是驚人的，也是目前在實驗室中所能產(chǎn)生的最高的，擁有如此的優(yōu)勢，LHC的前景極為可觀，人們均把尋找Higgs的希望寄予它，然而尋找Higgs的主要希望在ATLAS和CMS兩個探測器，這兩個探測器的就是為尋找Higgs而設計，針對碰撞后的碎片進行徹底而仔細的分析，從中去捕捉Higgs存在最細微的

12、證據(jù)，當LHC開始運作時，大量的（數(shù)量級 ）質(zhì)子直接被加速到7 TeV，當質(zhì)子接近探測器時由于電磁場作用而相互集中，以提高對撞的幾率，按照如此，每次粒子束經(jīng)過時約有20個質(zhì)子碰撞，大多數(shù)只是擦過，很偶然的情況下會有兩個相對運動的質(zhì)子中的夸克對撞，對撞釋放能量之大足以產(chǎn)生大量新粒子，包括Higgs和超對稱粒子，如果它們真的存在。然而問題的復雜之處在于Higgs和超對稱粒子極不穩(wěn)定，它們瞬間即可衰變?yōu)闃藴誓Ｐ屠锏钠胀Ｗ?，所以只能從探測器所得的它們的衰變產(chǎn)物中去推斷其存在與否，由于粒子運行速度基本等于光速，粒子通過整個ATLAS探測器僅用時30 ns，而緊接著另一批由

13、于碰撞而產(chǎn)生的粒子則在25 ns后到達，然而情況不容樂觀，每次碰撞的碎片中包含著1000多種粒子，而其中每一種粒子都必須進行分析以重新構(gòu)建最初碰撞時的情景無論是發(fā)現(xiàn)Higgs的存在還是排除Higgs存在的可能性，都是LHC的首要任務，因此ATLAS似乎就是針對尋找Higgs而設計的。只有找到Higgs的衰變產(chǎn)物才能肯定它的存在，而Higgs的衰變途徑有很多種，每種衰變類型與Higgs的質(zhì)量有關，但是Higgs的質(zhì)量依然未知，從先前實驗我們認為Higgs的質(zhì)量必須高于114 ，同時理論要求它的質(zhì)量小于1 ，如果Higgs有一個相對低的質(zhì)量（120 左右），

14、它會衰變?yōu)橐粋€底夸克和一個反夸克，不幸的是，要把它們和其他夸克區(qū)別開非常困難，一個低質(zhì)量的Higgs也會衰變成兩個光子，不過這種概率很低，一千次衰變中只發(fā)生一次。如果Higgs擁有較高的質(zhì)量（180 以上）它極可能衰變?yōu)橐粋€W boson和一個Z boson，最容易識別的方式是衰變?yōu)橐粚 boson，然后衰變?yōu)橐粚﹄娮踊蚪樽?，由此可以較為容易地得到Higgs。探測介子對于實驗至關重要，當Higgs衰變?yōu)橐粚 boson后它們分別變成一對介子。然而數(shù)據(jù)分析又是另一個挑戰(zhàn)，儲存所有的數(shù)據(jù)完全不可能，所以探測器已被設定好會自動選擇最重要的數(shù)據(jù)，大概只有0.25%的數(shù)據(jù)會被接受，巨型而功能強大的計算機會對數(shù)據(jù)進行進一步分析，將需要物理學家分析的數(shù)據(jù)減到最少，大概每秒100個事件，已經(jīng)比較容易操作。探測器預計在2007年中期建好，而CERN這個宏偉的探索計劃將持續(xù)多年，而LHC的先進性將使CERN在粒子物理方面領先10年。三 如果沒有Higgs boson？ 如果LHC沒有發(fā)現(xiàn)任何Higgs存在的痕跡，人們的確會很失望，但是這絕不意味著LHC是毫無意義的投資，在LHC中質(zhì)子碰撞時前所未有的巨大能量會把物理學家?guī)нM一個未知的新世界，這里有太多可供探