“上帝粒子”

2012年7月4日，瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)新亞原子粒子，疑似“上帝粒子”。至此科學(xué)家們對(duì)這種賦予其他粒子以質(zhì)量的神秘粒子的探尋，終于達(dá)到了頂點(diǎn)，他們深信“上帝粒子”的存在，找到它只是時(shí)間的問題。但對(duì)于解開“上帝粒子”的神秘面紗，物理學(xué)家仍然在孜孜不倦地探索著。到底什么是“上帝粒子”？它對(duì)物理學(xué)的進(jìn)展有什么重要性？為什么在實(shí)驗(yàn)中很難找到它的蹤影呢？本文將逐一闡述。

一、希格斯粒子的提出者

提到“上帝粒子”，不得不提到英國物理學(xué)家彼得-希格斯，他出生于英格蘭泰恩河畔紐塞，以提出“希格斯機(jī)制”與“希格斯玻色子”而聞名于世。而“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼對(duì)希格斯粒子的別稱。

二、希格斯玻色子——“上帝粒子”

1.希格斯粒子的理論概述

（1）什么是希格斯玻色子？

希格斯粒子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子（具有整數(shù)倍的自旋量子數(shù)），所以也叫希格斯玻色子。它被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源。根據(jù)量子場論，所有的粒子都是分布在全空間的場。場的最低能量狀態(tài)叫“真空態(tài)”，隨著能量的提高出現(xiàn)場的單粒子態(tài)、雙粒子態(tài)、三粒子態(tài)等。而這個(gè)“真空態(tài)”并不是一無所有，因?yàn)閳龅淖畹湍芰坎⒉粸榱恪６覀兯诘挠钪婵臻g中充滿了希格斯場，這種量子場可以解釋為什么夸克和電子之類的基本粒子帶有質(zhì)量而希格斯玻色子則是相對(duì)于基態(tài)的希格斯場激發(fā)態(tài)。希格斯場與其他所有基本粒子的場都不同的是，它在宇宙誕生那一刻，真空態(tài)經(jīng)歷了瞬間的破缺，變成現(xiàn)在這個(gè)樣子。正是這個(gè)瞬間破缺給了每一種基本粒子靜質(zhì)量（光子和膠子除外）。

（2）標(biāo)準(zhǔn)模型與希格斯粒子

標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)相互作用、弱相互作用以及電磁相互作用這三種基本相互作用及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它把基本粒子分為三類：夸克、輕子與玻色子。標(biāo)準(zhǔn)模型被物理學(xué)家們寄予很高期望，是通往終極的一個(gè)理論。然而它自身有兩個(gè)很重要的缺陷：（1）標(biāo)準(zhǔn)模型中包含了過多的參數(shù)；（2）該理論中沒有描述重力，即其無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源，因此標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的希格斯粒子始終未能在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。萊德曼曾對(duì)希格斯粒子憂心忡忡，認(rèn)為它是一個(gè)阻止我們獲得終極知識(shí)的“大壞蛋”。

在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，總共預(yù)言了62種基本粒子，其中61種都已被驗(yàn)證，唯獨(dú)希格斯玻色子始終游離在物理學(xué)家的視野之外。找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石，如證明它不存在，整座大廈就要被推倒重建。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，希格斯玻色子預(yù)計(jì)是存在的。物理學(xué)家們相信，希格斯玻色子賦予了所有其他粒子質(zhì)量，在宇宙大爆炸后對(duì)宇宙的形成起著決定性作用。然而長期以來，那些相信希格斯玻色子能夠解釋為什么物體有質(zhì)量的物理學(xué)家們都無法找到希格斯玻色子。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（Tevatron）以及歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）等大型核粒子加速器都在不斷地尋找著希格斯玻色子和其他亞原子物質(zhì)。無疑最近的發(fā)現(xiàn)對(duì)繼續(xù)尋找希格斯粒子是一個(gè)巨大的突破。

2.尋找希格斯玻色子的意義

為什么希格斯玻色子如此重要？主要有兩個(gè)原因：（1）它是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，因?yàn)樗馁|(zhì)量最大，以前加速器的能量都無法把它轟出來，只有LHC可以。（2）和電子、光子等我們耳熟能詳?shù)幕玖Ｗ硬煌?，它是個(gè)奉獻(xiàn)者，是其他粒子靜質(zhì)量的來源。如果沒有希格斯玻色子，世界會(huì)變成什么樣？那樣的世界里，由于沒有靜質(zhì)量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在運(yùn)動(dòng)。由于基本粒子間傳遞相互作用的速度就是光速，于是意味著難以存在由夸克形成的穩(wěn)定原子核。而電子若靜質(zhì)量為零，更意味著不可能形成原子、分子。這樣，宇宙中便不會(huì)出現(xiàn)各式各樣的星球，更不會(huì)出現(xiàn)生命。

3.希格斯粒子為什么萍蹤難尋？

要研究希格斯場，最直接的辦法就是用高能粒子互相轟擊來產(chǎn)生希格斯粒子。把質(zhì)子加速到接近光速來對(duì)撞。由于產(chǎn)生希格斯粒子的概率非常低，而希格斯粒子的理論壽命又極短，即它是不穩(wěn)定的，會(huì)迅速衰變?yōu)楦臃€(wěn)定、質(zhì)量更小的粒子，所以它不能被直接觀測(cè)到，只能通過分析它衰變的產(chǎn)物來間接探測(cè)它的存在以及研究它的性質(zhì)。在分析過程中，希格斯粒子是否存在，可以從數(shù)據(jù)圖形的峰值中體現(xiàn)出來。然而，即便科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這樣的峰值，他們也不能就此宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，只有他們確認(rèn)這一信號(hào)是統(tǒng)計(jì)誤差的概率低于百萬分之一時(shí)才能比較有把握地宣布發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]江東向.什么是希格斯粒[J].物理教學(xué)，1997（19）.

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[3]方宇寧.希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)及其科學(xué)意義[J].世界科學(xué)，2012（8）.

（責(zé)任編輯黃春香）