英科学家发现“上帝粒子”迹象 系万物质量之源山东教育局招生办电话

来源:互联网新闻 时间:2020-05-02 21:49

美国费米国家实验室的对撞侦测器。

寻找“上帝粒子”

为了庆祝一种被称为“质量之源”的粒子即将被证实,希格斯本人已经准备好了香槟,而斯蒂芬·霍金则打赌这种粒子根本就不存在

1964年,英国粒子物理学家彼得·希格斯写了两篇论文,投给著名学术期刊《物理评论快报》,然而该刊只接受了其中的第一篇,第二篇只有两页的论文被退了回来。美籍日裔物理学家南部阳一郎看了希格斯的第二篇论文后感觉很有意思,建议他在文中解释一下他提出的“希格斯场理论”的物理学意义。于是,希格斯在文章中加了一段:“希格斯场的激发,将会犹如海洋中的波浪一样,产生一种新的粒子????”不久,《物理评论快报》重新审核并发表了修改后的文章。文中所描述的新的粒子后来被称为“希格斯玻色子”或“希格斯粒子”。

南部阳一郎因为发现“亚原子物理学中的自发对称性破缺机制”而获得2008年诺贝尔物理学奖。而距希格斯提出“希格斯场理论”半个世纪过去了,南部阳一郎曾工作过的美国费米国家实验室直到最近也只发现了希格斯玻色子的“蛛丝马迹”—— 3月7日,该实验室宣布,经过穷尽数据分析以后,他们已接近证实希格斯玻色子的存在,这个结论的最后确认,有望在今年之内实现。

“该死的粒子”或“上帝粒子”

无论大千世界多么丰富多彩,组成它的物质都是由夸克、电子、光子等基本粒子组成的。基本粒子之间存在着引力、电磁力、弱力和强力四种自然力的相互作用。然而,物理学家一直力图找到把四种自然力统一起来的途径,以证明宇宙具有一种基本的统一性。比如,电磁力就是早期由法拉第和麦克斯韦把电力和磁力统一起来的结果。爱因斯坦的贡献是解决了引力的问题,他的后半生一直致力于进一步把电磁力和引力统一起来,但最终未果。美国理论物理学家格拉肖从数学公式对弱力和电磁力的描述中看出它们在某些方面具有相似性,但是让格拉肖不解的是,弱力的作用非常微小,但是传递弱力的粒子的质量却很重。希格斯论文中提出的设想,为解决格拉肖所无法理解的问题提供了新的思路,同时,也可以解释质量起源的基本问题。

根据希格斯的理论,基本粒子通过和一种看不见、却又似乎无处不在的场发生相互作用来获取质量;相互作用越多,粒子获得的质量也越大。在1993年,英国科学家们还很难向政府解释希格斯所描述的这一现象,为此,英国科学部长威廉·渥德格雷发起一场全国竞赛,寻找对希格斯场最好最通俗的解释。结果,伦敦大学学院的物理学家大卫·米勒成为获胜者之一。米勒将希格斯场比喻成在一个房间内正在举行聚会的政治团体。当一个普通人走进房间的时候,不会引起别人注意,他会没有任何阻力地在房间来回走动。然而如果走进来的是当时的英国首相玛格丽特·撒切尔,情况则会大为不同。许多人会走上来,围起来,使得撒切尔首相放慢脚步,这就像是给了撒切尔首相一种“质量”, 这时被围着的首相具有很大的惯性,而惯性正是质量的物理属性。

英国理论物理学家约翰·埃利斯则对希格斯场做过这样的比喻:把希格斯场想象成一片雪地,如果你想徒步穿越,你将会陷入雪地,并且要花很长时间才能走出去;若是穿上一双雪鞋,你的速度将大大加快;而如果使用雪橇,你则可以轻松快速地穿过雪地。对应到物理学上来,粒子的质量来源于某种基本的物理属性,意义上等同于雪鞋或雪橇,这种属性直接影响到粒子穿过希格斯场的方式。希格斯场正是被赋予了这种属性的场,它决定了一个粒子,是如光子一样在空中轻松飞行, 还是像笨重的质子那样运动。而希格斯粒子是希格斯场的“海洋”中掀起的“波浪”。

然而这样的粒子目前还只是科学家的一种假设,并没有从实验中得到证实。该粒子的重要性及其发现难度,使诺贝尔奖获得者利昂·莱德曼打算用“该死的粒子”来称呼希格斯粒子,并以此作为一本著作的名称。然而出版商认为,如果书名改为“上帝粒子”,则可能有助于图书的销量。经过协商,该书最终以“上帝粒子”命名。希格斯粒子无处不在,但又找不到它,这很容易让人想到上帝的存在,所以很多科学家对于“上帝粒子”这个名称,也跟着“牵强附会”了一把。

不再是“谣言”?

目前,全世界主要有两大机构在寻找希格斯粒子。一个是位于法国和瑞士交界处的欧洲核子研究中心,它建有世界上最大质子-质子对撞机LHC。在这里,加速器将粒子几乎加速到光速,在探测器中实现对撞,并记录所撞出的粒子。另一个就是美国的费米国家实验室,该实验室是美国最大的高能物理研究实验室,在世界上仅次于欧洲核子研究中心。

去年秋天,费米实验室的万亿电子伏加速器Tevatron因为经费问题而关闭,然而该实验室积累了大量可供科学家进行分析的数据。3月初,费米实验室的科学家宣称,他们最新数据分析的结果显示,希格斯粒子可能存在于115GeV??135GeV之间,置信度为2.2个标准偏差,这一数据意味着该实验有1/36的几率是误报或者噪音。在科学界,置信度5个标准偏差的实验结果才被视为正式发现。费米实验室的观测数据来自于安装在Tevatron上的两个探测器,它们采用不同的技术捕捉和分析新粒子的信息。

和费米国家实验室类似,欧洲核子研究中心的对撞机上也在不同位置安装了不同的探测器,以相互验证实验数据。不同之处在于,欧洲核子研究中心采用的是通过质子和质子对撞,来分析产生轻子和光子过程中的数据;而费米实验室采用的是通过撞击质子和反质子,来分析产生底夸克和反底夸克过程中的数据。

在过去几年里,关于希格斯粒子存在的“谣言”在欧洲核子研究中心和美国费米国家实验室常常“闪现”,然而经常出现的情况是,一组科学家发现了希格斯粒子的迹象,另一组科学家则发现相反的结果,科学家们始终在证明“上帝粒子”存在的证据上难以步调一致。

然而这次的情况与以往不同。去年12月13日,欧洲核子研究中心LHC上的两个探测器的科学家宣布,他们分别发现了一种质量在126GeV到124GeV区间的“上帝粒子”的线索。费米实验室近期公布的实验结果则和欧洲去年的这个发现大致吻合。这是不同对撞机、不同探测器、不同科学机构在发现“上帝粒子”迹象方面第一次取得大致相同的结果。虽然这些发现还不能让科学家们宣告胜利,但这足以让他们期待今年就可能有最终的结果。

等待“上帝粒子”现身

根据当代粒子物理学的“标准模型”,空间充斥着一种神秘的物质,称为希格斯场,和电磁场和引力场不同的是,希格斯场的强度在空间的每一处都严格相同,而变化的只是各种不同的基本粒子与它的作用方式。正是这些作用方式,给基本粒子赋予了质量。如果没有了质量和与之息息相关的作用力,我们的星系、恒星、包括我们自己都不会产生。

标准模型所设想的62种基本粒子中,希格斯玻色子是目前唯一尚未被发现的粒子。物理学家相信,它是所有物质的质量之源,是促成宇宙形成的重要粒子,但是极难被发现和分辨,因而有人形容它是物理学家的“圣杯”。

“现在的这个结果更加强了人们对今年下半年可能发现的期待。如果真的如期发现了希格斯粒子,一方面说明标准模型非常完美,但另一方面也限制了发现所谓超出标准模型的新物理的可能性,”清华大学物理系教授王青对《中国新闻周刊》表示,“反之,如果没能发现标准模型中的希格斯粒子,那么就存在非标准模型希格斯粒子的可能性,并且,也有不存在希格斯粒子的可能性。那就意味着目前粒子物理的标准模型是不完备的,有超出它的新东西存在。”

在物理学界,一些科学家对希格斯粒子是否存在表示怀疑。坐在轮椅上通过电子仪器“说话”的物理学家斯蒂芬·霍金就打赌说,“上帝粒子”并不存在。当然,希格斯本人对自己的理论充满信心,他已经准备好了用来庆祝的香槟。

中国科学院高能物理研究所教授刑志忠对“上帝粒子”持不同态度的科学家进行了有意思的归纳:幸灾乐祸的、起哄架秧子的、誓死捍卫希格斯的,如今已经乱作一团。很显然,不相信希格斯的,都是些惟恐天下不乱的新物理信徒;相信可能存在希格斯的,则包括那些对“超对称”情有独钟的理论家。(编辑 陈晟)

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