希格斯玻色子

1、希格斯說(shuō)希格斯玻色子將很快被發(fā)現(xiàn)據(jù)新華社日內(nèi)瓦2008年4月12日電在40多年前預(yù)言了希格斯玻色子存在的英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯，日前在參觀歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）時(shí)對(duì)媒體說(shuō)：“幾乎可以確定，很快就可以發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。”希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，它是“標(biāo)準(zhǔn)模型”這一粒子物理學(xué)理論中最后一種未被證實(shí)的粒子，但是它的存在卻是整個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的基石。 因此，它被稱為粒子物理學(xué)的“圣杯”，也被稱為“上帝粒子”，充滿了神秘色彩。自從希格斯預(yù)言這一粒子存在以來(lái)，科學(xué)家們就一直試圖在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該粒子從而證實(shí)其存在，但至今所有努力均告失敗。于2003年開始興建的歐洲大型

2、強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于法國(guó)和瑞士邊境地區(qū)地下100米深、約27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道中，耗資總計(jì)約20億美元，預(yù)計(jì)將于今年6月正式開始運(yùn)行。屆時(shí)，它將憑借能使單束粒子流能量達(dá)到7萬(wàn)億電子伏特而成為世界上能級(jí)最高的對(duì)撞機(jī)。科學(xué)家普遍期望在這一對(duì)撞機(jī)的幫助下，能夠在前所未有的對(duì)撞能量下取得包括發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子在內(nèi)的新發(fā)現(xiàn)。不過希格斯認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子未必一定需要大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的幫助。他說(shuō)，迄今已運(yùn)行多年的美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏特加速器（Tevatron）可能已經(jīng)獲得了希格斯玻色子存在的數(shù)據(jù)，“這是可能的希格斯玻色子的身影可能已存在于他們獲得的數(shù)據(jù)中了，只是還沒有從數(shù)據(jù)分析中找到而已”。新聞資料粒子物理學(xué)

3、的“圣杯”希格斯玻色子人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)，自然界中物體之間千差萬(wàn)別的相互作用，可以簡(jiǎn)單劃分為4種力：即引力、電磁力、維持原子核的強(qiáng)作用力和產(chǎn)生放射衰變的弱作用力。在愛因斯坦的相對(duì)論解決了重力問題后，人們開始嘗試建立一個(gè)統(tǒng)一的模型，以期解釋通過后3種力相互作用的所有粒子。經(jīng)過長(zhǎng)期研究和探索，科學(xué)家們建立起被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”的粒子物理學(xué)理論，它把基本粒子（構(gòu)成物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu)）分成3大類：夸克、輕子與玻色子。“標(biāo)準(zhǔn)模型”的出現(xiàn)，使得各種粒子如萬(wàn)鳥歸林般擁有了一個(gè)共同的“家園”。但是這一“家園”有個(gè)致命缺陷，那就是該模型無(wú)法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。為了修補(bǔ)上述理論大廈的缺陷，英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯提

4、出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。爾后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于“標(biāo)準(zhǔn)模型”之下，構(gòu)筑成大千世界?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”預(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。因此，尋找該粒子，被比喻為尋找粒子物理學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。尋找上帝粒子Higgs boson一、Higgs boson的前世今身從上世紀(jì)初的興起和繁盛，粒子物理學(xué)在50年代經(jīng)歷了一個(gè)短暫

5、的困難時(shí)期，幾乎當(dāng)時(shí)已經(jīng)應(yīng)用的理論都遇到了很大的問題，這些困惑激勵(lì)著物理學(xué)家們給出新的解答，從60年代開始，基于楊-米爾斯的非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)理論，逐步構(gòu)建完成了現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)模型理論（the Standard Model Theory）。今天，標(biāo)準(zhǔn)模型早已成為粒子物理學(xué)的主流理論，它的很多預(yù)言不斷為一個(gè)又一個(gè)激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)成果所證實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)作用力（the strong nuclear force）、弱作用力(the weak nuclear force)及電磁力(the electrom

6、agnetic force)這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它屬于量子場(chǎng)論的范疇，但是沒有描述重力。      標(biāo)準(zhǔn)模型包含費(fèi)米子及玻色子兩類-費(fèi)米子為擁有半整數(shù)的自旋并遵守泡利不兼容原理的粒子；玻色子則擁有整數(shù)自旋而并不遵守泡利不兼容原理。簡(jiǎn)單地說(shuō)，費(fèi)米子組成物質(zhì)的粒子，而玻色子負(fù)責(zé)傳遞各種作用力。電弱統(tǒng)一理論與量子色動(dòng)力學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型中合并為一。這些理論都基于規(guī)范場(chǎng)論，即把費(fèi)米子跟玻色子配對(duì)起來(lái)，以描述費(fèi)米子之間的力。由于每組中介玻色子的拉格朗日函數(shù)在規(guī)范變換中都不變，所以這些中介玻色子就被稱為“規(guī)范玻色子”。

7、      標(biāo)準(zhǔn)模型所包含的玻色子有：負(fù)責(zé)傳遞電磁力的光子；負(fù)責(zé)傳遞弱核力的W及Z玻色子；負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力的8種膠子。Higgs boson，也是一種玻色子，然而它與上述這些規(guī)范玻色子不同，Higgs boson負(fù)責(zé)引導(dǎo)規(guī)范變換中的對(duì)稱性自發(fā)破缺，是慣性質(zhì)量的來(lái)源，因此并不是規(guī)范玻色子。楊-米爾斯方法無(wú)論應(yīng)用到弱還是強(qiáng)相互作用中所遇到的主要障礙就是質(zhì)量問題，由于規(guī)范理論規(guī)范對(duì)稱性禁止規(guī)范玻色子帶有任何質(zhì)量，然而這一禁忌卻與實(shí)驗(yàn)中的觀測(cè)不相符合，如果不能解決質(zhì)量問題，將使得整個(gè)研究失去基礎(chǔ)。一開始人們?cè)噲D通過自發(fā)對(duì)稱破

8、缺機(jī)制，即打破規(guī)范理論中對(duì)拉氏量對(duì)稱性的嚴(yán)格要求，使得物理真空中的拉氏量不再滿足這種對(duì)稱性，然而到了1962年，每一個(gè)自發(fā)對(duì)稱性破缺都被證明必定伴隨著一個(gè)無(wú)質(zhì)量無(wú)自旋粒子，這無(wú)疑也是不可能的。1964年，英國(guó)物理學(xué)家希格斯（Higgs）解決了這個(gè)問題，使得自發(fā)對(duì)稱性破缺發(fā)生時(shí)，那個(gè)無(wú)質(zhì)量無(wú)自旋粒子仍然存在，但它將變成規(guī)范粒子的螺旋性為零的分量，從而使規(guī)范粒子獲得質(zhì)量。這一方法被今天的標(biāo)準(zhǔn)模型所借鑒，標(biāo)準(zhǔn)模型通過引入基本標(biāo)量場(chǎng)Higgs場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)謂Higgs機(jī)制。通過Higgs場(chǎng)產(chǎn)生對(duì)稱性破缺，同時(shí)在現(xiàn)實(shí)世界留下了一個(gè)自旋為零的Higgs boson粒子。這樣我們也就明白了為何希格斯粒子

9、如此重要的原因，可以說(shuō)它是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，如果希格斯粒子不存在，將使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型失去效力。而LHC就是為了尋找Higgs是否存在而設(shè)計(jì)的，這個(gè)擁有前所未有的規(guī)模的大計(jì)劃拉開了粒子物理的新篇章，關(guān)系到Higgs的存在與否，人們異常關(guān)注它的動(dòng)態(tài)。 二、踏上尋找Higgs boson的漫漫征程LHC是西歐核子研究中心（CERN）正研發(fā)致力于尋找Higgs boson的大型質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider ），之所以引人注目的是它的規(guī)模，位于法國(guó)與瑞士邊境交界處地下周長(zhǎng)27公里的環(huán)形加速器，經(jīng)過20年的準(zhǔn)備和籌

10、劃，投資數(shù)十億歐元，擁有來(lái)自世界各地的6000余位專家，共有ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS），CMS（Compact Muon Solenoid），ALICE（A Large Ion Collider Experiment ）和LHCb四個(gè)探測(cè)器單元。主要捕獲并分析碰撞后的碎片，除了Higgs，尋找超對(duì)稱粒子（sparticles）和其它可能的新物理，研究電弱對(duì)稱性破缺機(jī)制也是LHC的重要目標(biāo)。從能量來(lái)看，單它的質(zhì)心系能量就達(dá)到驚人的14 TeV(

11、0;electron-volts)，并可使每秒發(fā)生數(shù)十億次的質(zhì)子對(duì)撞，這是前所未有的，目前擁有最高能量對(duì)撞的是美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron加速器，使質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞能量達(dá)到2 TeV，雖然14 Tev的能量不超過14只飛行中的蚊子的能量，但當(dāng)它集中在如此小的體積時(shí)就使實(shí)驗(yàn)中的能量密度是驚人的，也是目前在實(shí)驗(yàn)室中所能產(chǎn)生的最高的，擁有如此的優(yōu)勢(shì)，LHC的前景極為可觀，人們均把尋找Higgs的希望寄予它，然而尋找Higgs的主要希望在ATLAS和CMS兩個(gè)探測(cè)器，這兩個(gè)探測(cè)器的就是為尋找Higgs而設(shè)計(jì)，針對(duì)碰撞后的碎片進(jìn)行徹底而仔細(xì)的分析，從中去捕捉Higgs存在最細(xì)微的

12、證據(jù)，當(dāng)LHC開始運(yùn)作時(shí)，大量的（數(shù)量級(jí) ）質(zhì)子直接被加速到7 TeV，當(dāng)質(zhì)子接近探測(cè)器時(shí)由于電磁場(chǎng)作用而相互集中，以提高對(duì)撞的幾率，按照如此，每次粒子束經(jīng)過時(shí)約有20個(gè)質(zhì)子碰撞，大多數(shù)只是擦過，很偶然的情況下會(huì)有兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子中的夸克對(duì)撞，對(duì)撞釋放能量之大足以產(chǎn)生大量新粒子，包括Higgs和超對(duì)稱粒子，如果它們真的存在。然而問題的復(fù)雜之處在于Higgs和超對(duì)稱粒子極不穩(wěn)定，它們瞬間即可衰變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模型里的普通粒子，所以只能從探測(cè)器所得的它們的衰變產(chǎn)物中去推斷其存在與否，由于粒子運(yùn)行速度基本等于光速，粒子通過整個(gè)ATLAS探測(cè)器僅用時(shí)30 ns，而緊接著另一批由

13、于碰撞而產(chǎn)生的粒子則在25 ns后到達(dá)，然而情況不容樂觀，每次碰撞的碎片中包含著1000多種粒子，而其中每一種粒子都必須進(jìn)行分析以重新構(gòu)建最初碰撞時(shí)的情景無(wú)論是發(fā)現(xiàn)Higgs的存在還是排除Higgs存在的可能性，都是LHC的首要任務(wù)，因此ATLAS似乎就是針對(duì)尋找Higgs而設(shè)計(jì)的。只有找到Higgs的衰變產(chǎn)物才能肯定它的存在，而Higgs的衰變途徑有很多種，每種衰變類型與Higgs的質(zhì)量有關(guān)，但是Higgs的質(zhì)量依然未知，從先前實(shí)驗(yàn)我們認(rèn)為Higgs的質(zhì)量必須高于114 ，同時(shí)理論要求它的質(zhì)量小于1 ，如果Higgs有一個(gè)相對(duì)低的質(zhì)量（120 左右），

14、它會(huì)衰變?yōu)橐粋€(gè)底夸克和一個(gè)反夸克，不幸的是，要把它們和其他夸克區(qū)別開非常困難，一個(gè)低質(zhì)量的Higgs也會(huì)衰變成兩個(gè)光子，不過這種概率很低，一千次衰變中只發(fā)生一次。如果Higgs擁有較高的質(zhì)量（180 以上）它極可能衰變?yōu)橐粋€(gè)W boson和一個(gè)Z boson，最容易識(shí)別的方式是衰變?yōu)橐粚?duì)Z boson，然后衰變?yōu)橐粚?duì)電子或介子，由此可以較為容易地得到Higgs。探測(cè)介子對(duì)于實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，當(dāng)Higgs衰變?yōu)橐粚?duì)Z boson后它們分別變成一對(duì)介子。然而數(shù)據(jù)分析又是另一個(gè)挑戰(zhàn)，儲(chǔ)存所有的數(shù)據(jù)完全不可能，所以探測(cè)器已被設(shè)定好會(huì)自動(dòng)選擇最重要的數(shù)據(jù)，大概只有0.25%的數(shù)據(jù)會(huì)被接受，巨型而功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，將需要物理學(xué)家分析的數(shù)據(jù)減到最少，大概每秒100個(gè)事件，已經(jīng)比較容易操作。探測(cè)器預(yù)計(jì)在2007年中期建好，而CERN這個(gè)宏偉的探索計(jì)劃將持續(xù)多年，而LHC的先進(jìn)性將使CERN在粒子物理方面領(lǐng)先10年。三 如果沒有Higgs boson？ 如果LHC沒有發(fā)現(xiàn)任何Higgs存在的痕跡，人們的確會(huì)很失望，但是這絕不意味著LHC是毫無(wú)意義的投資，在LHC中質(zhì)子碰撞時(shí)前所未有的巨大能量會(huì)把物理學(xué)家?guī)нM(jìn)一個(gè)未知的新世界，這里有太多可供探