時(shí)間:2022-07-15 17:35:19 來(lái)源: cnBeta.COM
粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè),宇宙是由12個(gè)基本物質(zhì)粒子、4種基本自然力和最后一個(gè)將所有粒子聯(lián)系在一起的粒子--希格斯玻色子組成的。長(zhǎng)期以來(lái),希格斯玻色子粒子都是“拼圖”中最后缺失的一塊,這是個(gè)問(wèn)題,因?yàn)闆](méi)有它,其余的部分就沒(méi)有意義了。
它的存在在20世紀(jì)60年代首次由其英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯預(yù)測(cè),并由弗朗索瓦·恩格勒特和羅伯特·布魯特的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立預(yù)測(cè)。這些物理學(xué)家一直在努力回答基本粒子如何獲得其質(zhì)量的問(wèn)題,并計(jì)算出這是在它們與彌漫在宇宙中的量子場(chǎng)相互作用時(shí)發(fā)生的。這個(gè)模型預(yù)測(cè),所謂的希格斯場(chǎng)(Higgs field)也會(huì)產(chǎn)生自己的粒子,希格斯玻色子的概念由此誕生。
預(yù)測(cè)它是一回事,但真正找到它是另一回事。該模型表明,希格斯玻色子幾乎會(huì)瞬間衰變?yōu)槠渌W樱@給了科學(xué)家們一個(gè)觀察它的非常小的窗口。更糟糕的是,該粒子的質(zhì)量可能在10到1000GeV之間。因此,幾十年來(lái),人們一直認(rèn)為這種搜索是不可能的。
(相關(guān)資料圖)
直到20世紀(jì)80年代,技術(shù)才最終跟上。物理學(xué)家們意識(shí)到,希格斯玻色子可以通過(guò)將粒子高速撞擊在一起而產(chǎn)生,雖然它們會(huì)迅速消失,但通過(guò)觀察產(chǎn)生的粒子,可以發(fā)現(xiàn)它們的特征,即希格斯可能衰變成的粒子。
即使有了一系列功率越來(lái)越大的粒子對(duì)撞機(jī),希格斯玻色子在接下來(lái)的幾十年里仍然沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。不過(guò),這并不是完全的失敗--每一個(gè)無(wú)效的結(jié)果都有助于縮小可能的質(zhì)量范圍,因此在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的早期,質(zhì)量范圍縮小到115至130 GeV之間。
人們的注意力特別集中在125GeV附近,LHC團(tuán)隊(duì)在那里注意到了與希格斯玻色子一致的過(guò)量事件。歐洲核子研究中心預(yù)計(jì),到2012年底,這些數(shù)據(jù)將"肯定會(huì)給出一個(gè)答案"--一勞永逸地確認(rèn)希格斯玻色子的存在或不存在。
果然,2012年7月4日,粒子物理學(xué)家宣布了希格斯玻色子的歷史性發(fā)現(xiàn)。來(lái)自歐洲核子研究中心的兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)ATLAS和CMS的數(shù)據(jù),在同一個(gè)結(jié)論上趨于一致--他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量約為125.3GeV的新粒子和其他一些類似希格斯玻色子的特性。
進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這是人們長(zhǎng)期尋找的希格斯玻色子,為彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特贏得了2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
盡管這一宣布在當(dāng)時(shí)是令人興奮的,但經(jīng)常有報(bào)道說(shuō)希格斯玻色子從那時(shí)起變得相當(dāng)“無(wú)聊”,因?yàn)樗](méi)有公布任何瘋狂的新物理學(xué)。那么,在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后的十年里,它都在做些什么?
在最初的幾年里,科學(xué)家們仔細(xì)研究了這種新粒子,以檢查它是否具有標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的所有屬性。例如,它的自旋需要為零,而且它與粒子耦合的方式需要與它與反粒子耦合的方式完全相同。事實(shí)證明,兩者都與模型的預(yù)期相符。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了希格斯玻色子的主要預(yù)測(cè)之一--標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他粒子通過(guò)與希格斯場(chǎng)相互作用而獲得其質(zhì)量。這反過(guò)來(lái)又證實(shí)了希格斯粒子在一些基本力量中的作用--例如,如果希格斯玻色子不存在,我們就需要對(duì)諸如為太陽(yáng)提供動(dòng)力的核聚變反應(yīng)做出新的解釋。
在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的第二次運(yùn)行期間,產(chǎn)生了大約800萬(wàn)個(gè)希格斯玻色子,ATLAS和CMS團(tuán)隊(duì)最近發(fā)布了基于這些數(shù)據(jù)的新研究。這包括它從不同過(guò)程中產(chǎn)生的頻率,它衰變成哪些其他粒子和頻率,以及它與其他粒子的相互作用有多強(qiáng)。在科學(xué)家們對(duì)它進(jìn)行的幾乎每一次實(shí)驗(yàn)中,希格斯玻色子都符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)。
盡管到目前為止,希格斯玻色子與標(biāo)準(zhǔn)模型的吻合度相當(dāng)高,但更詳細(xì)地研究希格斯玻色子可能是科學(xué)家們揭開(kāi)這個(gè)框架之外的物理學(xué)的門(mén)票。
以暗物質(zhì)為例。證據(jù)表明,這種神秘的物質(zhì)彌漫在宇宙中,并以其強(qiáng)大的引力影響將星系和星團(tuán)等結(jié)構(gòu)固定在一起。到目前為止,它還沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)被直接探測(cè)到,主要是因?yàn)榘滴镔|(zhì)很少與常規(guī)物質(zhì)發(fā)生相互作用--但是有一個(gè)機(jī)會(huì),希格斯玻色子與暗物質(zhì)發(fā)生相互作用的方式可能最終使其被探測(cè)到。
希格斯粒子的新測(cè)量結(jié)果提出的另一個(gè)奇怪的難題是,宇宙可能并不像它看起來(lái)那樣穩(wěn)定。它目前可能存在于所謂的假真空狀態(tài),但在任何時(shí)候,宇宙--或它的大部分--都可能突然坍縮成一個(gè)真正的真空狀態(tài)。這可能會(huì)完全消除所有物質(zhì),或者如果科學(xué)家們幸運(yùn)的話,它可能只是改寫(xiě)了自然法則。
宇宙仍然存在的事實(shí)表明,由于其他未知力量的作用,它比科學(xué)家們的模型顯示的更穩(wěn)定。希格斯玻色子可以幫助科學(xué)家們揭開(kāi)這些力量。
它還可能為另一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)提供新的線索,即為什么宇宙很久以前沒(méi)有自我毀滅。科學(xué)家們目前的模型表明,大爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是等量的,但如果是這樣的話,所有的物質(zhì)都會(huì)在數(shù)十億年前發(fā)生碰撞并湮滅。這顯然沒(méi)有發(fā)生,表明由于某種未知的原因,創(chuàng)造的物質(zhì)比反物質(zhì)多出一部分。希格斯粒子可以幫助科學(xué)家們們弄清是什么讓“天平”向我們傾斜。
這些深刻問(wèn)題的答案可能就在眼前。7月初,大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)了第三次運(yùn)行,其能量比以前更高。而在2029年,該設(shè)施將作為高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(HL-LHC)開(kāi)始新的探索,在一次重大的技術(shù)升級(jí)之后,將比以往任何時(shí)候都更深入地探索物理學(xué)。希格斯玻色子將是這些實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)核心內(nèi)容。
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