神话般的“上帝粒子”:希格斯玻色子的预测与发现

​希格斯玻色子,这个几乎是神话般的实体,让粒子物理学成为了全球关注的焦点。那么这种粒子到底有什么特别之处呢?它是我们观察到的第一个也是唯一一个基本标量粒子。 优雅和对称性 在亚原子尺度上,宇宙是一个由基本粒子通过基本力相互作用而形成的复杂编舞,这可以用一个所有物理学家都会用到的术语来解释:优雅。在20世纪60年代,理论物理学家们正致力于用量子

​希格斯玻色子,这个几乎是神话般的实体,让粒子物理学成为了全球关注的焦点。那么这种粒子到底有什么特别之处呢?它是我们观察到的第一个也是唯一一个基本标量粒子。

优雅和对称性

在亚原子尺度上,宇宙是一个由基本粒子通过基本力相互作用而形成的复杂编舞,这可以用一个所有物理学家都会用到的术语来解释:优雅。在20世纪60年代,理论物理学家们正致力于用量子场论的方式优雅地描述自然的基本定律。在量子场论中,物质粒子(费米子)和力载流子(玻色子)都是潜在的、基本的量子场的表现。今天,我们把这种优雅的描述称为粒子物理学的标准模型。

标准模型基于自然界对称性的概念,即它们所描述的物理特性在某些变化下保持不变,比如空间旋转变换。利用这个概念,物理学家可以为电磁力和弱核力提供一套统一的方程,这样统一起来的力被称为电弱力。但是这些对称性却带来了一个明显的问题:这些对称性解释了电弱力,但是为了保持这种对称性,它们禁止携带电弱力的粒子有质量。

我们知道,携带电磁力的光子是无质量的,携带弱力的W和Z玻色子是不可能没有质量的。尽管当时还没有直接观测到W和Z玻色子,物理学家们知道,如果没有质量,像β衰变这样的过程将以无限速率发生。1964年,罗伯特·布劳特、弗朗索瓦·恩格勒以及彼得·希格斯的两篇论文声称找到了解决方案:一个打破电弱对称性的新机制。新机制引入了一个新的量子场,我们今天称之为希格斯场,其量子表现形式是希格斯玻色子。只有与希格斯场相互作用的粒子才能获得质量。

正是这种机制创造了标准模型的所有复杂性。原本的这个机制只是想解释W玻色子和Z玻色子的质量,但科学家们很快发现,他们可以扩展这个新机制,以解释所有大质量基本粒子的质量。这样做很方便,数学难题几十年前就已经解决了,但数学是否描述了物理现实还有待检验。

什么都没有

希格斯场在两个方面很特别。想象一个空的空间区域,一个完美的真空,里面没有任何物质。量子场论告诉我们,这个假想的区域并不是真的空的:与不同量子场相关的粒子-反粒子对在湮灭之前会短暂地出现,转化为能量。然而,这些场在真空中的“期望值”是零,这意味着平均来说,我们可以预期在完美的真空中没有粒子。但希格斯场有很高的真空期望值,这个非零的真空期望值意味着希格斯场无处不在。它的无所不在使得希格斯场能够影响整个宇宙中所有已知的大质量基本粒子。

当宇宙刚刚形成并且非常热的时候,它的能量密度高于与希格斯场的真空期望值相关的能量。因此,标准模型的对称性得以保持,使得像W和Z玻色子这样的粒子没有质量。随着宇宙开始冷却,能量密度下降,直到大爆炸后几分之一秒,它降到了希格斯场之下。这导致对称性被打破,某些粒子获得了质量。

希格斯场的另一个特性是它不可能被直接观测到。无论是观察到的还是假设的量子场,都有不同的种类。向量场就像风:它们有大小和方向。因此,矢量玻色子有一个内在的角动量,物理学家称之为量子自旋。标量场和温度一样只有大小没有方向,因此标量玻色子没有量子自旋。

在2012年之前,我们只在量子层面上观测到矢量场,比如电磁场。你可以通过观察粒子与场的相互作用来观察场,就像电子在磁场中的运动一样。或者你可以通过产生与场相关的量子粒子(如光子)来观察它。但希格斯场的值恒定,不可能像电磁场那样开关。要证明它的存在,科学家只有一个选择:创造并观察希格斯玻色子。

在大型强子对撞机上寻找

要产生希格斯玻色子,必须进行足够高能量的粒子碰撞,但在很长一段时间里,物理学家们一直在黑暗中寻找:他们不知道这个能量范围是多少。他们在大型强子对撞机和美国费米实验室的垓电子加速器的碰撞碎片中寻找希格斯玻色子的迹象。大型强子对撞机有能力探索希格斯玻色子可能出现的整个预测能量范围,而大型强子对撞机上的两个通用粒子探测器——ATLAS和CMS——旨在对其存在提供明确的答案。

当两个质子在大型强子对撞时,组成质子的夸克和胶子相互作用。通过预测良好的量子效应,这些高能相互作用可以产生希格斯玻色子,它会立即转化成为ATLAS和CMS可以观察到的更轻的粒子。因此,科学家们需要建立足够的证据来表明,可能由希格斯粒子产生和转化而产生的粒子确实是这一过程的结果。

2011年12月,两个探测器都在它们的数据中看到了碰撞,这些碰撞看起来与任何统计波动或噪音都不同,这可能是希格斯玻色子存在的迹象,但是这些结果缺乏必要的统计确定性来宣布新发现。2012年7月,终于确定了希格斯玻色子的存在。在欧洲核子研究组织的礼堂里,彼得·希格斯流下了喜悦的眼泪。

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