2018-01-01 16:38:56

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希格斯玻色子(英语:Higgs boson),别称上帝粒子(God particle),是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。它是标准模型中最后一种未被发现的粒子。它可以帮助解析为何其它粒子会有质量。

基本信息

  • 中文名

    希格斯玻色子

  • 外文名

    Higgsboson

  • 别称外号

    希格斯粒子,希格斯子,上帝粒子

  • 提出者

    彼得·希格斯(P.W.Higgs)

  • 发现过程

    通过原子对撞机将两个质子相撞

折叠 编辑本段 基本简介

希格斯玻色子-内部结构模型图希格斯玻色子-内部结构模型图希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中,希格斯场引起自发对称性破缺,并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发,它通过自相互作用而获得质量。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,该实验室最新数据接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。2013年2月4日,该实验室确认上帝粒子的存在。[8]

折叠 诠释

希格斯玻色子希格斯玻色子标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述,但是在能量低于一定条件后,电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用,这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。

折叠 研究背景

1964年,英国物理学家彼得·希格斯(<em>P.W.Higgs</em>)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,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“上帝粒子”。

当其他粒子相继被发现时,48年来,“上帝粒子”始终遁形。[1]

希格斯提出了希格斯机制。在此机制中,希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺,并将质量赋予规范玻色子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场 量子化激发,它通过自相互作用而获得质量。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(<em>Large Hadron Collider</em>,简称LHC)将有机会发现希格斯粒子。 

希格斯玻色子希格斯玻色子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,目前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”。  

自1899年汤姆逊爵士发现电子​开始,直至如今,在一个多世纪的时间里 ,人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。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个基本粒子中的61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。但是也许会为我们揭示出一条全新的探索旅途。就让我们先来回顾一下上个世纪中期以来粒子物理学的发展历史,以及现在处于主流的标准模型理论。

折叠 编辑本段 研究历史

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自发破残原理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+1、W-1、Z0玻色子非零质量的获得机制。但到如今,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(X0)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。虽说到现在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。但是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。

为了修补上述理论的缺陷,英国物理学家希格斯希格斯玻色子希格斯玻色子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,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,这些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。

香港文汇报》14日报道,欧洲核子研究中心(CERN)日前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。

CERN昨日表示,两个团队透过LHC看到希格斯玻色子的可能踪迹,但是数据肯定性尚不足以被称为“发现”,目前还需要更多的实验和分析。其中一个团队表示,探测到的讯息约为126千兆电子伏特左右。CERN早前已表示,不会在今年公布发现了“上帝粒子”。

折叠 编辑本段 研究理论

折叠 物理理论

科学家们建立起被称为标准模型的粒子物理学理论,它把基本粒子分成3大类:夸克、轻子与玻色子。标准模型的缺陷,就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W+、 W–和 Z 玻色子。

维持中性成分的量子希格斯玻色子希格斯玻色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在实验在高一点,大约120 GeV或者更低。

9维至8维-五期希格斯玻色子的能量(eV),大小(cm)及分裂结构表 

所在时空维度:
第9维(含第8维)
的「希格斯场」
宇宙时间:
10秒至10秒
五期希格斯玻色子
单位能量(eV)及大小(cm)
时空维度本质:
能量:2.9812×102 4eV至
6.7784×1011
波长:6.62×10-30cm至
1.83×10-16cm(×2p)(注1,2)
自:普朗克(单位)能量:
1.2211×1028eV,及
普朗克(单位)长度
1.616×10cm 的
分裂次数
第9维
「希格斯场」-前期
二次大爆炸(大爆胀)
宇宙时间:
10秒-10秒
第9维
「希格斯场」-中期
宇宙时间:
10秒至10秒
第9维
「希格斯场」-后期
宇宙时间:10秒至10秒
(电,弱力统一场)
【注:10秒时,第3代:夸克
被禁闭(表2-1注:4),产生
高能量超子,第8维时空诞生】
第五期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
7.453×10eV至1.819×1020eV
2.6476×10cm至1.084×1025cm
衰变并结合为-第10,9代-夸克
第四期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
1.819×1020至4.4423×1016eV
1.084×1025cm至4.442×1022cm
衰变并结合为-第8,7代-夸克,
第三期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
4.4423×1016eV至1.0845×1013eV
4.442×1022cm至1.8194×1018cm
衰变并结合为-第6,5代-夸克,
第二期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
1.0845×1013至1.6946×1011eV
1.8194×1018cm至1.1644×1016cm
衰变并结合为-第4,3代-夸克,
第一期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
1.6946×1011eV;7.3165×1016cm
衰变并结合为-第2,1代-夸克,
五期希格斯玻色子存在于所有
规范粒子中,是10代夸克及
10代电子,微中子(即轻子)的
质量来源
第五期-
自普朗克能量分裂14至16次(1.22×10eV÷2至÷2)
时空维度能量:
2.9812×10eV至7.2783×1020eV
时空维度波长:
6.62×10cm至2.71×1026cm
上述能量区为:
本宇宙二次大爆炸区(大暴胀区)
第四期-
自普朗克能量分裂26至38次(1.22×10eV÷2至÷2)
时空维度能量:
7.2783×1020至1.7769×1017eV
时空维度波长:
2.71×1026至1.11×10-22cm
第三期-
自普朗克能量分裂38至50次(1.22×10eV÷2至÷2)
时空维度能量:
1.7769×1017eV至4.3382×1013eV
时空维度波长:
1.11×10-22至4.55×10-19cm
第二期-
自普朗克能量分裂50至56次(1.22×10eV÷2至÷2)
时空维度能量:
4.3382×1013至6.7784×1011eV
时空维度波长:
4.55×10-19至2.911×1017cm
第一期-
自普朗克能量分裂56次
(1.22×10eV÷2)
时空维度能量:
6.7784×1011eV至6.2619×1011eV
时空维度波长:
1.83×1016cm(×2p)至
1.98×1016cm(×2p)(表2-1注1,2)
能量较低的
第2期希格斯玻色子分裂组合成为: t’,b’,t,b夸克. 而
第2期WWZ弱玻色子
分裂为τ’电子及τ电子,
当分裂出第3代t,b夸克及τ电子时,即第8维时空的誔生
(第4代t’,b’,夸克及第4代τ’电子,因能量太高尚未发现)

折叠 方程简式

用方程式可以简要的表达以下这种变化:

一、夸克(K+2/3、K-2/3)、味玻色子(W+1、W-1)及电荷粒

(E+1、E-1)的生成方程

⒈H+8/3 → K+2/3 + W+1 + E+1

⒉H-8/3 → K-2/3 + W-1 + E-1

二、夸克(K-1/3、K+1/3)、味玻色子(W+1、W-1)及中微子(M 0)的生成方程

⒈V-4/3 → K-1/3 + W-1 + M 0

⒉V+4/3 → K+1/3 + W+1 + M 0

三、希格斯玻色子(X0)、引力子(G0)及味玻色子(W+1、W-1)的生成方程

⒈H+8/3 + H-8/3 → X0 + W+1 + W-1

⒉V+4/3 + V-4/3 → G0 + W+1 + W-1

四、磁单极子(C0)、胶子(J0)、光子(Y0)及不带荷的味玻色子(Z0)的生成方程

⒈H+8/3 + H-8/3 → C0 + J0 + Z0

⒉V+4/3 + V-4/3 → Y0 + J0 + Z0模型

折叠 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:希格斯玻色子希格斯玻色子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。

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。

折叠 其他模型

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最近进行的一项名为“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,但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。

折叠 编辑本段 研究验证

欧洲核子研究中心大型强子对撞机工作的科学家分别以两个独立的实验寻找希格斯玻色子,这两个实验分别称为Atlas和CMS。

欧洲核子研究中心1991年开始设计兴建的欧洲大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中,耗资总计约100亿美元,于2008年9月10日正式开始调试运行。它凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下,能够发现希格斯玻色子。不过希格斯认为,迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据。

欧洲核子中心大型强子对撞机2000年,希格斯玻色子希格斯玻色子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。2003年,物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机,让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹,试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行,而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段,需要很长的时间来修复,因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。

2008年8月,靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机(LHC)。这架大型质子对撞机安放在位于地下175米深处,周长约为27公里的隧道中,计划造价约为80亿美元。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下,能够发现希格斯玻色子。欧洲大型强子对撞机(LargeHadronCollider 简称LHC)实验结果显示,找到了希格斯玻色子存在的证据。

2011年6月10日,费米实验室提交给《物理评论快报》的文章内容,该实验室的科学家Dmitri Denisov叙述:我们并没有看到相关的信号特征,如果希格斯玻色子确实存在,根据目前的实验程序,我们应该会从加速器的数据上读出来,但是我们审视了全部的数据,就是没有发现该出现的东西,也就是说,本该出现的信号消失了,这是个匪夷所思的现象。针对费米实验室发布的数据,欧洲核研究机构的发言人詹姆斯·吉利斯(James Gilies)在瑞士的日内瓦回应说:由该机构负责运行的欧洲大型强子对撞机的粒子加速器所取得的阶段性成果目前还不适宜公布,但可以肯定的是会在接下来的数周时间内进行进一步的数据解析,而费米实验室则太早将数据的解读分析进行发布。

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,但都没有成功。

根据 BBC 的报道,当前LHC探测希格斯玻色子的计划于2011年10月完成,希格斯玻色子在2011年12月12日已被“阶段性发现”,尽管要得到最终的官方确认还需要更多实验数据

2011年12月13日,欧洲核子研究中心科学家示,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。但是随后,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。

折叠 编辑本段 研究进展

折叠 博客传闻

北京时间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。

多里戈的博客名为《量子日记生还者》,其自称是一名实验粒子物理学家,与欧核中心(CERN)的CMS实验小组以及美国费米国家实验室的CDF小组有协作关系。这篇题为“有关发现希格斯粒子的传闻”的博文早在7月9日就已挂到网上,其中那段备受争议的文字是:“我从两个不同的、可能是独立的信息源打听到,一万亿电子伏加速器实验即将公布一些发现轻微希格斯波粒子信号的证据,一个信息源称发现了‘三倍标准差效应’,而另一个信息源并没有明确指出这一发现,只是表示实验得到了一个意外的结果。”

或许当时这段令人既兴奋又疑惑的文字夹杂在篇幅庞大的数据分析中不易被人发现,直到13日经《每日电讯报》《物理学家组织网》等主流媒体或科学网站报道可能已经发现了希格斯玻色子后,才惹出大范围的争议。

多里戈所谓的“三倍标准差效应”,希格斯玻色子希格斯玻色子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。

尽管对事件进行一手报道的几家媒体语气还算客观,甚至有些模棱两可,但经几手转载加工后的文章则显得不那么冷静,标题做得更是铁板钉钉,由此引发舆论与学界的轩然大波也就在所难免。一时间多里戈的博客几乎被寻找各自证据的人踏破。

14日,题为《“上帝粒子已发现”之说实无根据》的文章赫然登载于英国《新科学家》网站头条。文章称,正在都灵参加2010年粒子物理与宇宙学国际研讨会的物理学家们,对“上帝粒子被发现”的消息十分疑惑。《物理学家组织网》也随后查证说,多里戈并不是希格斯玻色子研究团队的成员。

被卷入事件的主角——费米实验室,发布在推特(Twitter)上的言辞更是分外犀利:“这就是一为求名气的博客作者散布的谣言,仅此而已。”

纽约时报》却能以相对平和的心态看待此事,其描述是:可能的确还没达到能发现希格斯玻色子的数据规模,但如果加以证实,仍将能解开宇宙物质与反物质的反对称性之谜。

面对强大的质疑声浪,肇事者多里戈再发博文,指出自己的物理分析一贯清晰详尽,其又拿出了大量崭新的图表数据予以佐证。尽管与之前相比语气审慎了许多,但他依旧声言,关于这一主题的更多信息会在本月召开的巴黎高能物理国际会议上披露出来。

折叠 或被发现

2011年4月26日,据国外媒体报道,据内部消息透露,全球最大的核粒子加速器——长达17公里的大型强子对撞机(LHC)已经发现了传说中的“上帝粒子“——希格斯玻色子。

据悉,该传闻来自于一份泄露的内部记录,据说这份笔记出自于大型强子对撞机的物理学家们。不久前,一篇匿名文章公布了哥伦比亚大学数学家彼得-沃伊特(Peter Woit)博客里一份记录的部分内容,随之上述传闻便传开来。

对于这样的传闻,有些物理学家视之为恶作剧,而另一些物理学家则相信了,并且称该发现是人类在理解宇宙运行原理之路上一个重大的粒子物理学突破。美国锡拉丘兹大学(Syracuse University)的物理学家谢尔登-斯通(Sheldon Stone)表示:“如果这个传闻是真的,那么这将让人激动不已。”

根据标准模型,希格斯玻色子预计是存在的。物理学家们相信,希格斯玻色子赋予了所有其他粒子质量,在宇宙大爆炸后对宇宙的形成起着决定性作用。然而长期以来,那些相信希格斯玻色子能够解释为什么物体有质量的物理学家们都无法找到希格斯玻色子。费米实验室质子—反质子对撞机(Tevatron)以及欧洲大型强子对撞机 (LHC)等大型核粒子加速器都在不断地寻找着希格斯玻色子和其他亚原子物质。这些加速器以极快的速度将粒子撞击在一起,从而产生大量其他粒子。

据悉,泄露的记录表明大型强子对撞机的ATLAS粒子探测实验可能获得了一个希格斯玻色子的信号,该信号与希格斯玻色子预期产生的信号保持这大部分特征的一致性,然而该信号的一些其他方面与预期并不符合。

对此,斯通称:“它的生产速度要比在标准模型下预期的希格斯玻色子生产速度还要快。这个信号可能是一些其他粒子的存在证据。”斯通补充道:“从某种意义上说,这更有趣了,这可能是在标准模型之外的新物理现象。”斯通指出泄露的记录并非是ATLAS研究队伍的正式结果,所以现在就猜测该传闻的有效性和意义有点为时过早了。“实际上在该内部合作实验结果被核准前就对其进行公开讨论是相当不合理、不科学的。所以这个‘结果’在该团队正式公布前并非最后结果。”其他研究人员也赞成斯通的看法,认为不要对这个可能的发现太过激动,要保持耐心和警惕。加利福尼亚理工学院(Caltech)物理学家肖恩-卡罗尔(Sean Carroll)表示:“不要担心,希格斯玻色子!我并没有传播有关你的那些无礼传闻,不像那些人。”

此外,另一些研究人员已经对这个可能的发现产生了怀疑。费米实验室(Fermilab)和欧洲粒子物理研究所(CERN)的粒子物理学家托马索-多里戈(Tommaso Dorigo)认为该信号是假的,进一步检验后就会销声匿迹。多里戈指出,比如费米实验室的科学家就未在他们的Tevatron数据中发现希格斯玻色子信号,而Tevatron实验和ATLAS实验原理是相似的。“我敢和那些相信在粒子物理学有着名望的人士打赌,该信号并非源于希格斯玻色子。”

加拿大粒子和核子物理国家实验室的负责人奈杰尔-罗杰尔(Nigel Lockyer)表示:“我个人的看法是这样的激动只是预先为新结果和新发现火上加油而已。” [2]

折叠 诡异情况

欧洲大型欧洲大型强子对撞机(LargeHadronCollider 简称LHC)实验结果显示,找到了希格斯玻色子存在的证据。但是,费米国家实验室也在进行相关研究,根据2011年6月10日费米实验室提交给《物理评论快报》的文章内容,该实验室的科学家Dmitri Denisov叙述:我们并没有看到相关的信号特征,如果希格斯玻色子确实存在,根据目前的实验程序,我们应该会从加速器的数据上读出来,但是我们审视了全部的数据,就是没有发现该出现的东西,也就是说,本该出现的信号消失了,这是个匪夷所思的现象。

针对费米实验室发布的数据,欧洲核研究结构的发言人詹姆斯·吉利斯(James Gilies)在瑞士的日内瓦回应说:由该机构负责运行的欧洲大型强子对撞机的粒子加速器所取得的阶段性成果目前还不适宜公布,但可以肯定的是会在接下来的数周时间内进行进一步的数据解析,而费米实验室则太早将数据的解读分析进行发布。

接着,吉利斯认为欧洲大型强子对撞机(LHC)的实验成果会在今年夏天进行公布,同时也暗示说:LHC取得的数据和费米实验室公布的数据有些不同之处,这些不同之处也使得LHC的科学家们更有信心用更加有说服力的证据证明上帝粒子是存在的。[3]

折叠 发现踪迹

2011年12月13日,瑞士日内瓦,欧洲核子研究中心当天宣布发现了被称作“上帝粒子”的希格斯玻色子的踪迹。两个实验小组的负责人宣布,他们在大致相同的124-125GeV的位置,也就是相当于130倍质子质量的位置上看到了数据“峰值”。 Atlas实验小组发言人贾诺蒂说,这也许是因为数据波动造成的,但也许是因为更为有趣的原因,现在不能排除任何可能。

一些科学家指出,尽管目前还没有得到结论性的实验结果,但是两个探测器都发现了少量过量的潜在衰变粒子,这与质量超过质子130倍的希格斯玻色子的存在相符。

英国曼彻斯特大学物理学家伦博尔德教授说,希格斯玻色子是否存在的发现不大可能成为一份圣诞礼物,但是物理学家完全可能在一年之内取得这项成果。[4]

折叠 接近证明

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。[5]

7月4日,CERN举行专题讨论会与新闻发布会宣布,CMS发现质量为125.3±0.6 GeV的新玻色子,标准差为4.9;ATLAS发现质量为126.5GeV的新玻色子标准差为4.6。物理学者认为这两个粒子可能就是希子。CERN的所长说:“从一个外行人的角度来说,我们已经发现希子了;但从一个内行人的角度来说,我们还需要更多的数据。”一旦将其它种类的CMS相互作用纳入计算,这两个实验达到局部显著性差异5个标准差──错误概率低于百万分之一。在新闻发布之前很长一段时间,两个团队彼此之间不能互通讯息,这样才能确保每一个团队得到的结果不会受到另一个团队的影响而发生任何偏差,这也可以让两个团队各自独立得到的研究结果可以彼此相互核对。如此规格的证据,通过两个被隔离团队与实验的独立确定,已达到确定发现所需要的正式标准。CERN的治学态度非常严谨,不愿意引人非议;CERN表明,新发现的粒子与希子相符,但是物理学者尚未明确地认定这粒子就是希子,仍旧需要更进一步搜集与分析数据才能够做定论。换句话说,从实验观测显示,新发现的玻色子可能是希子,很多物理学者都认为非常可能是希子,现在已经证实有一个新粒子存在,但仍旧需要更进一步研究这粒子,必需排除这粒子或许不是希子的任何可疑之处。

2012年7月31日,CERN的CMS小组和ATLAS小组分别提交了新的侦测结果的论文,将这种疑似希格斯波色子的粒子的质量确定为CMS的125.3 GeV/c2(统计误差:±0.4、系统误差:±0.5、标准偏差:5.8)和ATLAS的126.0 GeV/c2(统计误差:±0.4、系统误差:±0.4、标准偏差:5.9)。[6]

折叠 新证据支持

据国外媒体报道,3月14日,物理学家宣称,2012年大型强子对撞机(LHC)发现的一种新粒子就是希格斯玻色子,这种长期寻找的神秘粒子将解释其它粒子如何获得质量。

这项发现是在大型强子对撞机实验中证实的,在实验中质子以接近光速的速度环绕瑞士和法国地下一个27公里长的环状隧道运行,希格斯玻色子是物理学标准模型中唯一尚未找到的粒子,由于它极其重要又难以找到,因此也被称为“上帝粒子”。

科学家指出,希格斯玻色子得以证实,这将在科学界产生广泛而深远的影响,以下是六个最重要的影响:长期以来,希格斯玻色子被认为是揭晓质量的神秘起源,该粒子与“希格斯场”密切相关,从理论角度上讲,希格斯场遍布整个宇宙。当其它粒子穿过希格斯场时,它们就获得质量,这与游泳者在水池中游泳全身变湿的道理一样。

2012年宣称发现希格斯玻色子时美国哈佛大学物理学家Joao Guimaraes da Costa说:“希格斯机制将使我们理解微粒如何获取质量,如果不存在这样的机制,任何事物都将没有质量。”

物理学家宣布这种最新粒子就是希格斯玻色子将进一步证实希格斯机制是微粒获取质量的正确途径。加州理工学院物理学教授玛丽亚-斯皮罗普说:“这项发现表明质量如何起源于量子等级。”标准模型是描述宇宙非常微小成分的粒子物理学规范性理论,标准模型所预测的每一种粒子都已发现,但除了希格斯玻色子。

欧洲核子研究委员会研究员乔纳斯-斯特朗伯格说:“这是标准模型中未发现的部分,通过发现希格斯玻色子,将进一步证实了该理论的正确性。”迄今为止,希格斯玻色子与标准模型所预测的情况相匹配,尽管如此,标准模型并非完整,它并不包含重力。例如:遗漏了构成宇宙98%物质成分的暗物质。

3月14日费米实验室紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)主管帕蒂-麦克布赖德说:“发现标准模型中存在希格斯玻色子这一明显证据仍不能完全理解宇宙,目前我们仍无法理解为什么引力如此虚弱,我们必须解决神秘的暗物质之谜,现在令人满意的是更进一步地证实这个48年历史的标准模型理论。”证实发现希格斯玻色子将有助于解释宇宙中的两种基础作用力如何发生交互作用——电磁作用力控制带电粒子之间的交互作用;弱作用力与放射性衰变有关。 自然界每一种作用力都与粒子有关,与电磁关联的粒子是光子,一种微型无质量的粒子。弱作用力与W玻色子Z玻色子紧密相连,它们具有一定的质量。希格斯机制被认为与弱作用力密切相关。

斯特朗伯格说:“如果你引入了希格斯场,W玻色子和Z玻色子将与希格斯场进行混合,并获得了质量。这将解释为什么W玻色子和Z玻色子拥有质量,同时在弱电作用力中将电磁和弱作用力结合在一起。”超对称性理论受发现希格斯玻色子的影响,该理论假定每一个已知粒子都拥有“超对称粒子”,且具有轻微的特征差异。之所以超对称性理论倍受关注是因为它能够规范统一自然界其它作用力,甚至提供构成暗物质的候选粒子。迄今为止科学家仅发现标准模型中的希格斯玻色子是候选粒子,再没有发现任何具有超对称性粒子的线索。大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器,是由欧洲核子研究委员会(CERN)斥资100亿美元建造的,它用于探测曾抵达地球的较高能量,发现希格斯玻色子是该仪器的最主要目标之一。科学家最新宣称发现希格斯玻色子将很大程度地肯定了大型强子对撞机的有效性,以及多年以来科学家们的工作。加州理工学院物理学教授玛丽亚-斯皮罗普说:“这项发现解释了质量如何源自量子等级,它是我们建造大型强子对撞机的理由,这是一项空前未有的科学项目。”科学家称,发现希格斯玻色子开启了之前不可能存在的新型计算模式,其中暗示着未来数十亿年之后将出现宇宙大灾难。希格斯玻色子的质量是评估预示未来空间和时间的重要部分,其质量大约是质子的126倍,从根本上希格斯玻色子需要建立一个不稳定动荡的宇宙,未来数十亿年之后将发生一场宇宙大灾难。2月份召开的美国科学促进会年会上,费米国家实验室理论物理学家约瑟夫-林肯说:“这项评估计算告诉我们未来数百亿年将出现一场宇宙大灾难,我们生存的宇宙本质上是不稳定的,未来几十亿年的某一时刻宇宙将消亡。”

折叠 “宇宙是不存在的”

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“宇宙是不存在的”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,所以科学家们对宇宙的探索仍在继续进行中。

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,因为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”,意为取代上帝创世的粒子。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。不过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。[7]

折叠 编辑本段 研究成果

折叠 萍踪难觅

然而希格斯粒子的真面目却始终无缘识荆,有过几次,人们似乎已经发现了希格斯粒子的踪影,然后它却似乎是故意在人们面前闪现一下影子,然后就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

2000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。

另一次在2003年,物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机,让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹,试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行,而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段,需要很长的时间来修复,因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。

然而人们似乎已经下定决心一定要找到这个神秘的粒子。2008年8月,靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机(LHC)。这架大型质子对撞机安放在位于地下175米深处,周长约为27公里的隧道中,计划造价约为80亿美元。计划实施时,将有来自34个国家150个研究实验室近2000名科学家参加。乐观的估计,将在2010年前后提供一个确切的答案。

于2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下175米深、约27公里长的环形隧道中,耗资总计约20亿美元,预计将于2008年6月正式开始运行。届时,它将凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下,能够发现希格斯玻色子。 

不过希格斯认为,迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据。希格斯说,希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯玻色子的存在。他幽默地说:“如果届时还是没有发现,那我只能祝愿自己活得再长久一些了。”但他强调,如果总是不能证实希格斯玻色子的存在,那么他将“非常、非常困惑”,因为他“无法想象除此之外还能怎样解释物质是如何获得质量的”。

物理学家们怀着对科学的热爱和虔诚,一直致力于理解物质的真正本质,完成对所有物理现象的统一理论,从而获得整个世界的终极知识。

折叠 最新发现

美国物理学家于2011年7月27日报告说,他们已大幅度缩小了希格斯玻色子的搜寻范围,困扰物理学界40多年的“希格斯玻色子存在之谜”有可能于今年九月末揭开。

美国费米国家实验室的物理学家在欧洲高能物理学会议上报告说,他们利用实验室的正反质子对撞机模拟宇宙大爆炸状态,分析撞击中产生的数千亿粒子。他们成功将隐藏的希格斯玻色子质量范围确定在110至155Gev/c间。按计划,到今年9月末他们可能采集足够数据,得出最终结论。

本月22日,欧洲核子研究中心根据大型强子对撞机的实验数据,也发现了希格斯玻色子存在的线索,他们认定,150至450Gev/c区间并非希格斯玻色子的质量区间。

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,该实验室最新数据接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。

在7月4日早晨9点,欧洲核子中心宣称:我们(用大型强子对撞机LHC)发现了一个新粒子,它很有可能就是希格斯粒子。发布会的高潮是ATLAS(LHC上4个大型探测器之一)实验组的发言人法比奥拉·吉亚诺蒂(Fabiola Gianotti)在屏幕上打出一个尖峰,“置信区间为5个标准差”,这意味着粒子不存在的几率只有350万分之一(根据CERN的最新消息,希格斯粒子的置信区间已达到了5.9个标准差,也就是说,这个粒子不存在的几率从7月4日的350万分之一降到了5.5亿分之一)。

Gev/c是基本粒子质量的一个单位,其中Gev是10亿电子伏特,c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。

折叠 相关著作

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·温斯基的短笛独奏《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。”

标准模型是这样一个被物理学家们寄予很高期望的,通往终极的理论,然而标准模型自身有两个很重要的缺陷:模型中包含了过多的参数,并且理论未能描述重力。而且正如本文一开始指出的,标准模型所预言的希格斯粒子却始终未能在实验中发现。莱德曼对希格斯粒子忧心忡忡,认为它是一个阻止我们获得终极知识的“大坏蛋”。

《一千零一夜》里有这样一个著名的故事:一只大鸟夺走了王子的戒指,王子去追逐这只大鸟,这只大鸟飞过一段距离后,就故意停下来等王子追近,每次王子感到马上就要赶上大鸟的时候,大鸟却一下子又振翅飞走了。好像终极知识就是可恶那只大鸟,每当我们觉得已经就要得到之时,他就一下子又走远了。一旦希格斯粒子被证实不存在,那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动,我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。

米兰·昆德拉说过一句古老的犹太谚语:“人类一思考,上帝就发笑”(见《小说的艺术》和《生命不能承受之轻》)。其话语中认为人类命运是早就注定的,无法逃脱宿命论。但是人类是思考的动物,几千年来,人类真理和真相寄托于宗教,但是失败了;近代以来,现在科学家们汇聚人类的智力财富,开始了新的探索,对比浩瀚的宇宙,也许我们很渺小,但是探索的历程以及这一历程中的新发现正是我们人类生存的意义所在。

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