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上帝粒子概述
上帝粒子即希格斯玻色子，希格斯玻色子(或稱希格斯粒子、希格斯子Higgs boson)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，至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。它也是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學(xué)家希格斯提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起自發(fā)對(duì)稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng)量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。2012年7月2日，美國(guó)能源部下屬的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室宣布，該實(shí)驗(yàn)室最新數(shù)據(jù)接近證明被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。
研究背景
英國(guó)物理學(xué)家希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起電弱相互作用的對(duì)稱性自發(fā)破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范玻色子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng) 量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(Large Hadron Collider，簡(jiǎn)稱LHC)將有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。
希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼對(duì)希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學(xué)家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個(gè)粒子物理學(xué)界研究的中心，萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。
自1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開始，直至如今，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里 ，人類一直孜孜不倦的探索著微觀
1995年3月2日，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室向全世界宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時(shí)，一套稱之為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)模型所預(yù)言的62個(gè)基本粒子中的61個(gè)都已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，看上去標(biāo)準(zhǔn)模型馬上就要獲得決定性的勝利，對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了它的尾聲，似乎人類也馬上就要聽到這一跌宕起伏的，充滿了高潮與華彩的探索樂章的終曲，但是仍然有一個(gè)粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個(gè)幽靈，這就是希格斯粒子，而且就是這個(gè)粒子可能會(huì)擊垮整座大廈。但是也許會(huì)為我們揭示出一條全新的探索旅途。就讓我們先來回顧一下上個(gè)世紀(jì)中期以來粒子物理學(xué)的發(fā)展歷史，以及現(xiàn)在處于主流的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)疑似上帝粒子：物質(zhì)為何有質(zhì)量
英國(guó)科學(xué)技設(shè)施委員會(huì)行政長(zhǎng)官約翰-沃默斯利在倫敦舉行的一個(gè)發(fā)布會(huì)上表示：“我可以證實(shí)，一個(gè)粒子已被發(fā)現(xiàn)，這個(gè)粒子與希格斯玻色子理論所描述的粒子是一致的。”
尋找希格斯玻色子的兩個(gè)小組中的一個(gè)小組的發(fā)言人喬-因坎迪拉在日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心對(duì)人們說：“這是一個(gè)初步的結(jié)果，但我們認(rèn)為這個(gè)結(jié)果非常強(qiáng)，非常堅(jiān)實(shí)。”
希格斯玻色子是一種亞原子粒子，理論上認(rèn)為它應(yīng)當(dāng)是構(gòu)成宇宙的最基本組成部件之一，被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源。由于它難以尋覓又極為重要，因此被稱為“上帝粒子”。
希格斯玻色子的理論最早是在1964年由6位物理學(xué)家共同提出來的，其中就包括英國(guó)愛丁堡的皮特·希格斯(Peter Higgs)教授。他們當(dāng)時(shí)提出這一粒子的目的就是為了解釋為何其它粒子會(huì)擁有質(zhì)量。根據(jù)這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場(chǎng)和與之相對(duì)應(yīng)的粒子——希格斯-玻色子一同形成。正是這個(gè)場(chǎng)賦予其它基本粒子以質(zhì)量的屬性。
理論上，希格斯玻色子的存在將正好補(bǔ)全描述整個(gè)宇宙如何運(yùn)行的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。對(duì)于今天的結(jié)果，CERN總監(jiān)羅夫·霍雅(Rolf Heuer)說：“今天是人類自然觀的一個(gè)里程碑。疑似希格斯波色子的發(fā)現(xiàn)，使我們有機(jī)會(huì)進(jìn)行更加詳盡的研究，也對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)模提出了更高要求，以確定新粒子的性質(zhì)，使探索宇宙的其他秘密獲得一縷曙光。”
上帝粒子接近發(fā)現(xiàn)：誤差率0.00006%
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7月4日，英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯出席研討會(huì)。
全球物理界沸騰了。追尋將近半個(gè)世紀(jì)后，昨日，位于日內(nèi)瓦的歐洲原子核能中心向全球宣布，找到一種新亞原子粒子，這種粒子與之前預(yù)言構(gòu)成質(zhì)量的“上帝粒子”、即希格斯玻色子(可簡(jiǎn)稱希格斯子)特征“一致”。
若最終確定此次發(fā)現(xiàn)的新亞原子粒子就是希格斯玻色子，那么粒子物理學(xué)中缺失的重要一環(huán)將會(huì)填補(bǔ)，支撐現(xiàn)代物理學(xué)的奠基性理論標(biāo)準(zhǔn)模型距離將被驗(yàn)證，萬物質(zhì)量來源之謎或可解開。
意義
“成就堪比登月”
歐洲原子核能中心(CERN)有著世界上最大的實(shí)驗(yàn)裝置——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，其橫跨法國(guó)和瑞士，這個(gè)長(zhǎng)達(dá)28年之久，造價(jià)達(dá)幾十億歐元的龐大地下裝置，最主要的目的是為了尋找被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子。
日內(nèi)瓦昨日9時(shí)，歐洲原子核能中心通過網(wǎng)絡(luò)向全球播放其最新進(jìn)展的研討會(huì)。研討會(huì)上，兩座各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室遞交了最新報(bào)告，均展示了一種新粒子存在的強(qiáng)有力證據(jù)。
CERN主席豪威爾說：“我們有了個(gè)‘發(fā)現(xiàn)’……我們觀測(cè)到了一種新粒子，符合希格斯子的條件。不過到底是什么粒子，問題仍待回答。”
現(xiàn)場(chǎng)最重量級(jí)的是四個(gè)物理學(xué)理論家，其中三個(gè)人完善了標(biāo)準(zhǔn)模型理論，另一個(gè)人彼得·希格斯則創(chuàng)建了這個(gè)理論，標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)粒子以他命名。昨天臺(tái)下就座的希格斯流下熱淚。
發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，英國(guó)物理學(xué)會(huì)主席彼得·奈特說，此次LHC的成就與發(fā)現(xiàn)DNA和登陸月球相當(dāng)。利物浦大學(xué)粒子物理系主任瑟密斯·布考克則稱，對(duì)于物理學(xué)家來說，這次發(fā)現(xiàn)就像哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸。
展望
是否為希格斯子需確認(rèn)
“雖然是初步結(jié)果，但5標(biāo)準(zhǔn)差和125吉電子伏特的結(jié)果讓我們確信，這是一個(gè)新粒子，”昨日，實(shí)驗(yàn)室發(fā)言人喬·因坎代拉說，“我們確認(rèn)，它必須是一種玻色子，而且是我們迄今為止發(fā)現(xiàn)的最重的玻色子。這一發(fā)現(xiàn)意義重大……我們必須極其努力地繼續(xù)研究與反復(fù)核校。”
在墨爾本觀看了視頻的中科院高能物理研究所院士陳和生則說，希格斯等距離諾貝爾獎(jiǎng)不遠(yuǎn)了。陳和生表示，目前還需要進(jìn)一步確定發(fā)現(xiàn)的是希格斯玻色子。CERN現(xiàn)在打算全力以赴地在今年之前給出最終答案，明年大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就將進(jìn)入兩年的大修期。
根據(jù)計(jì)劃，此次研究的正式結(jié)果將在7月底在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。陳和生表示，屆時(shí)，論文作者將是參與了所有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的科學(xué)家，共3000多人，其中，也有六七十人是參與合作的中國(guó)科學(xué)家。
彼得·希格斯
有關(guān)希格斯子的理論最早是在1964年由6位物理學(xué)家共同提出來的，其中就包括英國(guó)愛丁堡的彼得·希格斯教授。他們當(dāng)時(shí)提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。理論上，這一粒子的存在將正好補(bǔ)全描述整個(gè)宇宙如何運(yùn)行的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。
聲音
大家都非常激動(dòng)。我從學(xué)生開始做到現(xiàn)在，都在尋找希格斯子，也從來沒有這么激動(dòng)的時(shí)候。
——華人科學(xué)家錢劍明
居里夫人發(fā)現(xiàn)原子核的時(shí)候，人們也不知道后來會(huì)有核武器、核發(fā)電，還可以用來治病……人類想搞清楚自然界規(guī)律，就是一種好奇心，對(duì)真理的追求，我們不能要求科學(xué)研究一定馬上要有用，但從歷史經(jīng)驗(yàn)來看，科學(xué)物理學(xué)研究的成果會(huì)轉(zhuǎn)變成巨大的生產(chǎn)力。
——中科院高能物理研究所院士陳和生
■ 釋疑
如何知道發(fā)現(xiàn)了上帝粒子?
如果在LHC加速器中進(jìn)行的數(shù)以十億計(jì)的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中真的產(chǎn)生了希格斯玻色子，根據(jù)預(yù)測(cè)，它應(yīng)當(dāng)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。物理學(xué)家們需要對(duì)這些衰變產(chǎn)物進(jìn)行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。
新發(fā)現(xiàn)為何還需確認(rèn)?
在分析過程中，希格斯玻色子是否存在會(huì)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)了希格斯玻色子，只有當(dāng)他們確認(rèn)這一信號(hào)是統(tǒng)計(jì)誤差的概率低于一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才能比較有把握地宣布發(fā)現(xiàn)結(jié)果。
歐洲核研究組織在昨日的聲明中說，兩座各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室都發(fā)現(xiàn)了這種亞原子粒子，質(zhì)量范圍在125至126吉電子伏特之間。兩家實(shí)驗(yàn)室都宣布，數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)確定性為5西格瑪，或5標(biāo)準(zhǔn)差。
5西格瑪，換算成統(tǒng)計(jì)誤差率，大約為0.00006%。在粒子物理學(xué)界，若要證實(shí)某一發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定性需要達(dá)到5標(biāo)準(zhǔn)差;若要作為證據(jù)，統(tǒng)計(jì)確定性必須達(dá)到3標(biāo)準(zhǔn)差。所以現(xiàn)在說是“接近發(fā)現(xiàn)”。
若證實(shí)并不存在會(huì)怎樣?
如果實(shí)驗(yàn)確認(rèn)這樣的粒子實(shí)際上并不存在，那么現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型將需要徹底改寫，而我們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)也將發(fā)生革命性的改變。
昨日，澳大利亞阿德萊德大學(xué)物理學(xué)家安東尼·托馬斯說：“在過去40多年里，人們一直在尋找希格斯玻色子。如果不是它，全世界所有理論學(xué)家都得絕望地退回到原點(diǎn)。”
歐洲核研究組織物理學(xué)家伊夫斯·西羅伊斯說：“發(fā)現(xiàn)的那個(gè)粒子也許不是希格斯玻色子，而是一種比希格斯玻色子大很多的粒子，那么，它也會(huì)打開一扇門，開啟一套比‘標(biāo)準(zhǔn)模型’走得更遠(yuǎn)的新理論。” (金煜 仲玉維)
“上帝粒子”對(duì)人類意味著什么
“上帝粒子”若確實(shí)存在，將使得科學(xué)家解釋世界的一種假說有可能得到證實(shí)。
據(jù)報(bào)道，歐洲核子研究中心的科學(xué)家4日表示，他們?cè)趯ふ蚁８袼沽Ｗ印⒁簿褪撬^的“上帝粒子”的研究過程中發(fā)現(xiàn)了一種新型亞原子粒子，該粒子符 合希格斯粒子的屬性。而美國(guó)能源部下屬的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目發(fā)言人羅布·羅澤說：“我們的數(shù)據(jù)有力地顯示希格斯粒子的存在。”
科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的存在意味著，科學(xué)家解釋世界的一種假說將有可能得到證實(shí)。
要理解“上帝粒子”，不妨回憶一下牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事。盡管研究人員已經(jīng)證明，蘋果并沒有砸中牛頓腦袋，但是牛頓卻看見了一個(gè)蘋果掉了 下來。牛頓思考的是，為什么蘋果會(huì)垂直地掉到地上?一定是有什么在拉它，比如是地球的引力在拉它。而地球拉蘋果說明蘋果是有質(zhì)量的。
那么，物體的質(zhì)量從何而來?在牛頓故去后的400年，英國(guó)愛丁堡大學(xué)物理學(xué)家希格斯猜想：有一種粒子賦予其他粒子質(zhì)量。他于1964年提出，在 137億年前的大爆炸中，希格斯粒子使物質(zhì)得到質(zhì)量，萬有引力則將質(zhì)量變成重量，使恒星和行星都得以誕生，最終孕育生命。如此，也解釋了為何蘋果會(huì)掉到地 上。
“上帝粒子”只不過是科學(xué)家用以解釋世界的一種理論或假說。過去，科學(xué)家已經(jīng)指出，支配物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不僅僅有我們?nèi)粘Ｉ钪心軌蚋惺艿降闹亓碗姶帕Γ€有我們?nèi)粘Ｉ钪袩o法感受的“強(qiáng)力”和“弱力”。
20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們構(gòu)造出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋世界，標(biāo)準(zhǔn)模型主要描述了強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力以及所有基本粒子的構(gòu)成機(jī) 制。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言有61個(gè)基本粒子，其中有60個(gè)都已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，現(xiàn)在人們也已聽到最后的一個(gè)基本粒子——希格斯粒子的腳步聲。
如果發(fā)現(xiàn)或找到了這種粒子，那就意味著質(zhì)量是物質(zhì)與希格斯粒子的相互作用的結(jié)果。但是，即便科學(xué)家找到了“上帝粒子”也并不意味著世界獲得圓滿 解釋。因?yàn)榭茖W(xué)家說，組成我們生活的世界是由物質(zhì)和暗物質(zhì)構(gòu)成的，而標(biāo)準(zhǔn)模型只能解釋4%的宇宙，占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)仍然得不到解釋。
當(dāng)然，如果現(xiàn)在科學(xué)家聽到的“腳步聲”并非希格斯粒子的聲音，那么，解釋世界就可能會(huì)有另外的假說，而且這樣的假說也未必不能解釋世界。例如， 在太空，蘋果是不會(huì)掉下的，只是在空間飄浮。這或許與希格斯粒子無關(guān)。宇宙和我們生存的世界一直存在，只是科學(xué)家們現(xiàn)在尚無法圓滿解釋這個(gè)世界而已。
霍金因希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)而輸?shù)?00美元
昨日，歐洲核子研究中心(CERN)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這個(gè)發(fā)現(xiàn)在整個(gè)科學(xué)界引起了一場(chǎng)不小的騷動(dòng)。不過對(duì)于霍金來說可能就帶點(diǎn)小苦澀，因?yàn)榇饲埃绹?guó)密歇根大學(xué)的戈登教授打了個(gè)賭：CERN不會(huì)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。當(dāng)時(shí)定下的賭金為100美元。
在CERN確認(rèn)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之后，霍金表示該研究中心的發(fā)現(xiàn)非常得了不起，他說如果這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的例子衰變的交互數(shù)量跟他們預(yù)期想象的一樣，那這將成為 粒子物理Standard Model的有力證據(jù)，它將能夠解釋到目前為止的所有試驗(yàn)。另外，霍金看來不得不付給密西根大學(xué)的戈登教授100美元。
“上帝粒子”希格斯玻色子六問
什么是希格斯-玻色子?
希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是說，理論上認(rèn)為它應(yīng)當(dāng)是構(gòu)成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)。科學(xué)家們提出的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會(huì)擁有質(zhì)量。根據(jù)這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場(chǎng)和與之相對(duì)應(yīng)的粒子——希格斯-玻色子一同形成。正是這個(gè)場(chǎng)賦予其它基本粒子以質(zhì)量的屬性。
為何這一粒子如此重要?
希格斯場(chǎng)賦予整個(gè)宇宙中其它粒子以質(zhì)量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力來做比喻。如果粒子沒有質(zhì)量，它們便可以在宇宙中以光速前進(jìn)，因?yàn)橘|(zhì)量的本質(zhì)便是對(duì)物體改變其速度的制約性。
這種粒子最早是什么時(shí)候被提出來的?
有關(guān)這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學(xué)家共同提出來的，其中就包括英國(guó)愛丁堡的皮特·希格斯(Peter Higgs)教授。他們當(dāng)時(shí)提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。
理論上，這一粒子的存在將正好補(bǔ)全描述整個(gè)宇宙如何運(yùn)行的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。但是和其它構(gòu)成宇宙基礎(chǔ)構(gòu)建的基本粒子不同，希格斯粒子至今仍然隱匿無蹤，沒有能在實(shí)驗(yàn)中被觀察到。
如何對(duì)其進(jìn)行搜尋?
歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)是人類有史以來建造的最強(qiáng)大的粒子加速器，它的工作原理是將兩束質(zhì)子流以接近光速的速度迎頭相撞，在此過程中得到其它粒子。
在1989年至2000年之間，科學(xué)家們也曾使用同樣位于歐洲核子中心的另一臺(tái)加速器LEP進(jìn)行搜尋工作，而在今年年初由于經(jīng)費(fèi)不足被關(guān)停之前，美國(guó)的Tevatron加速器也進(jìn)行過對(duì)這一神秘粒子的搜尋工作。物理學(xué)家們表示，目前所收集的數(shù)據(jù)仍處于分析階段，或許它們最終將會(huì)對(duì)搜尋玻色子產(chǎn)生有益的影響。
那么科學(xué)家們?nèi)绾文苤雷约壕烤故欠癜l(fā)現(xiàn)了這樣的粒子呢?
如果在LHC加速器中進(jìn)行的數(shù)以十億計(jì)的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中真的產(chǎn)生了希格斯-玻色子，根據(jù)預(yù)測(cè)，它應(yīng)當(dāng)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。物理學(xué)家們需要對(duì)這些衰變產(chǎn)物進(jìn)行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。
在分析過程中，希格斯粒子是否存在會(huì)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，只有當(dāng)他們確認(rèn)這一信號(hào)是統(tǒng)計(jì)誤差的概率低于100萬分之一時(shí)才能比較有把握的宣布發(fā)現(xiàn)結(jié)果。
如果最終發(fā)現(xiàn)，或者沒有發(fā)現(xiàn)這樣的粒子存在，意味著什么?
如果希格斯粒子最終被證實(shí)完全符合理論預(yù)期，那么這樣可能會(huì)讓物理學(xué)家們有一點(diǎn)點(diǎn)失望，因?yàn)樗麄冊(cè)局竿舜卧贚HC的實(shí)驗(yàn)將會(huì)拓展人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)。但是從另一方面來講，如果實(shí)驗(yàn)確認(rèn)這樣的粒子實(shí)際上并不存在，那么現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型將需要徹底改寫，而我們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)也將發(fā)生革命性的改變。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論