粒子物理学中标准模型含有62种基本粒子,这是最后一种未被发现的粒子,也是最难找的,同时也是需要极高能量才能寻找到的。
2012年7月4日是科学史上很值得纪念的一天,C
ERN(欧洲核子研究中心)召开了新闻发布会,在会上科学家们宣布发现了一种新的粒子,目前观测到的是,一个新的粒子衰变到两个光子的信号,以及其它的辅助信号强有力地支持了看到的新粒子就是希格斯粒子,有95%的可能性,但还未完全确认,要完全确认是希格斯玻色子还得继续等待。
科学家一直在寻找万物的质量来源
L H
C大型强子对撞机的超导环场探测器实验(以下简称“A
T L A
S”)与紧凑μ子线圈实验(以下简称“C
M
S”)团队公布的初步实验结果显示,在1
2 5
-126G eV的质量区间内存在一种新的粒子,置信度均达5个sigm
a。在粒子物理学中,5个sigm
a被认为是作为一项发现的门槛,这几乎就意味着有99.9999%的把握。这里一个G
eV是10亿电子伏特,一个质子的质量大约就是0.938G
eV。许多理论物理学家认为,这个新粒子就是传说中的上帝粒子,赋予各种基本粒子以质量的希格斯玻色子。这就是我们寻常所见万物的质量来源。
希格斯本人也出席了发布会,他流泪了,从1964年提出希格斯机制到今天,整整48年了,他都83岁了,盼这一天将近半个世纪,许多在场的老科学家也流泪了。20多年的寻找,近百亿美元的投入,成千上万人的参与,就是为了这一天,科学家的激动可以理解。
这是物理学界过去将近30年中最重大的发现。因为,这意味着现代物理学的基石稳固了。粒子物理学中标准模型含有62种基本粒子,这是最后一种未被发现的粒子,也是最难找的,同时也是需要极高能量才能寻找到道。有科学家说,今天,我们见证了历史时刻。
什么是希格斯玻色子?它究竟有多重要?
什么是希格斯玻色子?它究竟有多重要?为什么要投入那么多的人才、金钱、时间、精力去找它?
还是先来看看现代物理学中的一些基本概念,否则很难明白这种粒子的重要性。
基本粒子:物理学中指的是不可再分的粒子,构成物质的最小基本单位。自旋是微观粒子的基本性质之一,可以被理解为粒子固有的一种角动量,基本粒子和它们构成的复合粒子都具有自旋性。根据自旋是否为整数,基本粒子可以分为两大类:自旋为(n+1/2)的费米子(ferm
ion)和自旋为整数的玻色子(boson)。费米子是构成物质“实体”的粒子,也称之为物质粒子,而玻色子则传递基本相互作用,也可称为力粒子。希格斯玻色子的自旋为0,与前两类不同,它非常的特别。
自然界有四大基本相互作用,也叫基本力,按强度由大到小依次为:强相互作用(强力)、电磁相互作用(电磁力)、弱相互作用(弱力)和引力相互作用(引力)。基本粒子通过基本相互作用构成世间万物。
强相互作用的作用半径在原子核尺度上,它维持原子核的稳定。根据是否参与强相互作用,费米子还可分为夸克(quark)和轻子(lepton)两种。参与强相互作用的是夸克,传递强相互作用的是胶子(gluon)。可以形象地认为,胶子是把夸克粘在一起的“胶水”,质子和中子形成时胶子消失。
电磁相互作用的媒介是光子(pho-ton),只有一种。光在真空中可无限传播,因此电磁相互作用的作用半径是无限远。引力的作用范围也是无限远。
弱相互作用涉及所有已知的费米子,作用形式是W和Z玻色子的交换,作用范围在亚原子内。弱相互作用能够改变夸克的性质(味道),解释原子核的衰变和聚变。
胶子、光子和W、Z玻色子统称规范玻色子(gaugeboson),因为它们是传递基本相互作用的粒子。希格斯粒子(H
iggsboson)不属于规范玻色子,它赋予其他粒子质量,是标准模型的基石。标准模型的扩展中还包括其他不规范玻色子。
所有已知的基本粒子的质量都靠希格斯粒子提供
标准模型预测了希格斯场的存在,希格斯玻色子是组成希格斯场的基本单元,这种场是在宇宙诞生初期出现的,宇宙刚诞生的时候,基本粒子都是没有质量的,而希格斯玻色子-希格斯场的出现赋予了基本粒子以质量,这种场遍布整个空间。希格斯场的基态的振幅不为零;也就是说,它的真空期待值不为零。非零的真空期待值造成了电弱相互作用的自发对称性破缺,并引发希格斯机制。这是为规范玻色子赋予质量的最简单方法,同时这种理论又与杨-米尔斯规范场论兼容。
希格斯场可以被描述为一个充满糖浆的游泳池。当0质量的基本粒子穿过希格斯场时,粒子会获得质量(裹上糖浆),成为可组成原子的成分。它的量子模型是一种标量玻色子,也就是希格斯玻色子。简单地讲,质量可以看成是物体改变运动路径难易程度的度量。基本粒子给希格斯玻色子抱住了,抱得越紧,质量越大,物体改变运动路径越难,同时物体运动速度也慢,抱得越松,质量越小,物体改变运动路径就越容易,同时物体运动速度也高。假如没有希格斯玻色子,宇宙会怎样?那样的话,基本粒子都没有静止质量,跟光子一样,大家的速度均为最高速的光速,那样的话,原子核不能稳定形成了,太阳,地球不会存在了。我们也不会坐在这里读新闻了。
实验物理学家、诺贝尔物理学奖获得者莱德曼曾在一本科普书中将希格斯粒子称为“上帝粒子”,从此这个绰号就流行开来。为什么莱德曼将这个粒子拔高到这个高度?确实是有原因的。第一,所有已知的基本粒子的质量都靠希格斯粒子提供;其次,希格斯粒子在弱相互作用和电磁相互作用的统一中扮演着一个重要角色,它的存在使得这两个相互作用在一定的能量之下看上去完全不同,而在这个能量之上又变得不分彼此。1968年,弱力和电磁力被统一为电弱相互作用,这个理论在随后的实验中得到了证实:在极高能量(超过100G
eV
)的情况下,这两种力的表现趋同。最重要的是第三点,希格斯粒子的质量与真空的性质以及其他粒子在真空中不停产生和湮灭的过程有关。所以,希格斯粒子的质量大小将决定标准模型是否完备。标准模型不包含引力。
引力通常指的是有质量的物体之间的引力相互作用。有人猜想引力子是存在的,它属于规范玻色子,质量为零,永远相互吸引。这两年,荷兰物理学家试图用标准模型之外的其他理论解释引力,认为它实质上可能是熵力。还有物理学家认为引力是四维空间中的宏引力在三维空间的投影,或甚至不是一种基本作用力。由于目前研究设备能量范围的限制和对质量本质认识的缺乏,关于引力,我们仍知之甚少。
标准模型目前主要被用于发展统一除引力之外的三个基本相互作用的大统一理论(G
randU
nifiedT
heory,G
U T
),这是统一四大基本力的物理学终极理论———万有理论(T
heoryO f
Everything,T
O E)的前身。
“上帝粒子”对认识宇宙意义重大
此次C E
R
N对希格斯粒子的研究将是我们向揭示质量和引力的本质迈出的关键一步,T
O E
(万有理论),我们人类来了。当然,由于引力量子化的困难,结合这四种基本力还是非常困难的,道路也将是修远的。但是毫无疑问,希格斯玻色子的发现对于人类认识宇宙的本质有着重大的意义。肯定会对以后的科技应用产生重大影响,就算是没有实际的用处,找到它也是非常伟大的。
毕竟,人类是有好奇心的,我们渴望知道,我们是谁?我们从哪里来(指宇宙及人类的起源)?我们要去哪里(指宇宙及人类的最终命运)?为什么会有这个世界而不是没有?这些基本问题是人类渴望知道的。正如有些科学家讲的,我们在此,是希望了解真相。另外,我们已知道的物质能量占据宇宙总物质能量的4%。还有96%都是未知的,以暗物质暗能量为主,希格斯玻色子的发现对这些未知领域的研究大有帮助。
旁证
这回的发现肯定没跑
李淼在微博:一个貌似上帝粒子的家伙现身,不仅搅动了物理学界,也搅动了全人类。昨天晚上七十分钟的微访谈,大家问了近八百个问题,我只能回答不到六十个。我有两件事想要说,第一,这回的发现肯定没跑,每个组有5sigm
a,非官方综合可信度7sigm
a。第二,该新粒子与中间玻色子的耦合与希格斯粒子几乎一样。(李淼为著名理论物理学家)
文/沉思(作者为99级理工科研究生)