物理宇宙学百科

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上帝粒子

2012-09-01 17:21:44 本文行家:宇宙与道

希格斯玻色子(英语:Higgsboson),别称上帝粒子(Godparticle),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。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。但经考虑实验其它误差之后,宣布实验结果无效。2012年7月4日科学家宣布发现了一个新粒子,与希格斯玻色子特征有

希格斯玻色子 - 简介

上帝粒子被认为是物质的质量之源

质子对撞所产生的粒子径迹 (点击查看更多)

“希格斯玻色子”理论由英国爱丁堡大学物理学家希格斯于1964年提出,玻色子是一种“次原子粒子”(subatomic particle),即比原子还小的粒子。希格斯认为,在137亿年前的大爆炸中,希格斯玻色子使物质得到质量(质量的定义是物质所拥有的量的多少,是物理学的最基本概念),使恒星和行星都得以具有形体,最终孕育生命。因此,希格斯玻色子被认为是物质的质量之源,有“上帝粒子”之称。[1]

自20世纪60年代发展起来的物理学标准模型,依赖于希格斯玻色子的存在,这种亚原子粒子会与其它粒子碰撞,使一些粒子质量变大,一些粒子质量减轻还有一些粒子则完全失去质量,形成我们今天所知的宇宙。

希格斯粒子是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。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,并将质量赋予规范传播子费米子。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。

希格斯玻色子 - 理论

基本粒子被分成3大类:夸克轻子玻色子。 当代粒子物理学标准模型(Standard Model)理论预言有62种基本粒子存在,希格斯玻色子是唯一尚未(截止到2012年)被发现的粒子,它具有质量,而且是所有物质的质量之源。

在标准模型中,希格斯粒子包含了两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对应到具有质量的希格斯粒子。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再高一点,大约120 GeV或者更低。

希格斯玻色子 - 模型

标准模型

粒子物理学在20世纪50年代,经历了一个短暂的困难时期,从60年代开始,基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论,逐步构建完成了标准模型理论。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

上帝粒子欧洲核子中心大型强子对撞机示意图

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: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。

最初提到的希格斯粒子,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。

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。

其他模型


LEP帮助科学家寻找希格斯玻色子LEP帮助科学家寻找希格斯玻色子

美国曾进行的一项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的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。

希格斯玻色子 - 方程式

希格斯玻粒子结构示意图希格斯玻色子结构示意图

 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

1、H+8/3 → K+2/3 + W+1 + E+1

2、H-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

1、V-4/3 → K-1/3 + W-1 + M 0

2、V+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

1、H+8/3 + H-8/3 → X0 + W+1 + W-1

2、V+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

1、H+8/3 + H-8/3 → C0 + J0 + Z0

2、V+4/3 + V-4/3 → Y0 + J0 + Z0

希格斯玻色子 - 研究与验证

图为欧洲核子研究中心提供的图片(粒子对撞后形成新粒子的运动轨迹)。图为欧洲核子研究中心提供的图片(粒子对撞后形成新粒子的运动轨迹)。

在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,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。  

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。

2003年,物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室正负质子对撞机,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开始运行新的大型质子对撞机(LHC)。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。[2]

2011年7月22日,用作模拟宇宙大爆炸的“末日机器”LHC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。[3]

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。[4]

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,[5] 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。[1] 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。[6] 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。

2012年2月13日,欧洲核子研究中心对外宣布,欧洲大型强子对撞机2012年将以4万亿电子伏特的质子束流运行,比2010年和2011年时的能量高出0.5万亿电子伏特。科学家认为能量提高有助于寻找“上帝粒子”希格斯玻色子。[7]

2012年6月22日,欧洲核子研究组织(CERN)表示,将于7月宣布大型强子对撞机是否发现上帝粒子。[8]

2012年7月4日,CERN宣布发现质量为125.3±0.6 GeV/c2 的新粒子,其行为方式和标准模型中的希格斯粒子相似,疑似上帝粒子。[9] 发布会尾声时,Heuer主管打出了一些字,其中将此次发现描述为“发现了一种和希格斯粒子的性质非常相符合的粒子。”

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