2013年諾貝爾物理學獎解讀-何為希格斯粒子

1、.解讀2013年諾貝爾物理學獎：何為希格斯粒子 2013年諾貝爾物理學獎揭曉。新浪科技訊10月8日訊 2013年諾貝爾物理學獎授予彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)，以表彰他們對希格斯玻色子(又稱“上帝粒子”)所做的預(yù)測。那么，到底什么是希格斯玻色子呢?希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是說，理論上認為它應(yīng)當是構(gòu)成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實驗觀測證實?？茖W家們提出的物理學標準模型預(yù)言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會擁有質(zhì)量。根據(jù)這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種

2、看不見的力，即希格斯場和與之相對應(yīng)的粒子 希格斯-玻色子一同形成。正是這個場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？希格斯場賦予整個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，因為質(zhì)量的本質(zhì)便是對物體改變其速度的制約性。這種粒子最早是什么時候被提出來的？有關(guān)這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的皮特希格斯教授。他們當時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全描述整個宇宙如何運行的物理學標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。如何對其進

3、行搜尋？歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)是人類有史以來建造的最強大的粒子加速器，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，科學家們也曾使用同樣位于歐洲核子中心的另一臺加速器LEP進行搜尋工作，而由于經(jīng)費不足被關(guān)停之前，美國的Tevatron加速器也進行過對這一神秘粒子的搜尋工作。科學家們?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加速器中進行的數(shù)以十億計的對撞實驗中真的產(chǎn)生了希格斯-玻色子，根據(jù)預(yù)測，它應(yīng)當是不穩(wěn)定的，會迅速衰變?yōu)楦臃€(wěn)定，質(zhì)量更小的粒子。物理學家們需要對這些衰變產(chǎn)物進行分析，并且通過分析來推斷這種

4、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從數(shù)據(jù)圖形的峰值中體現(xiàn)出來。六點重大影響：1. 揭開質(zhì)量起源之謎物體的質(zhì)量是怎么來的?這個問題一直困擾物理學界，而希格斯玻色子恰恰被認為與宇宙中一切物體的質(zhì)量起源有關(guān)。希格斯玻色子與一種場有關(guān)，那就是所謂的希格斯場，理論上認為這種場充斥著整個宇宙。當宇宙中的其它粒子在這一場中運行時便獲得了質(zhì)量的屬性。這就有點像是大家都在一個游泳池里游泳，然后身上都會被打濕，在這里，被水打濕就像是物體獲得質(zhì)量一樣。美國哈佛大學物理學家杰奧哥斯達(Joao Guimaraes da Costa)表示：“希格斯粒子的機制讓我們能夠理解粒子獲得質(zhì)

5、量的途徑和方式?！?哥斯達是去年歐洲核子中心宣布疑似希格斯粒子發(fā)現(xiàn)時，大型強子對撞機(LHC)所屬ATLAS探測器設(shè)備的標準模型召集人。他說：“如果沒有這種機制，那 么所有的一切物體都將失去質(zhì)量?！贝_認此次發(fā)現(xiàn)的粒子確實是希格斯粒子將證明我們設(shè)想的粒子獲得質(zhì)量屬性的方式是正確的。美國加州理工學院物理學教授瑪利亞斯皮羅普魯 (Maria Spiropulu)表示：“這項發(fā)現(xiàn)從量子層面支持了我們對于質(zhì)量來源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項無與倫比的成就。”而后，這將進一步為一個更深層次的問題提供解決的線索，那就是：為什么這些粒子擁有這一質(zhì)量數(shù)值?這個值是如何確定的?對此，

6、哈佛大學物理學家 麗薩蘭德爾(Lisa Randall)表示：“這是一個大得多的問題。確認這的確是希格斯粒子只是整個過程的第一步，此后我們才能更往前走，這兩者之間是相互聯(lián)系的。”2. 完善標準模型標準模型是當代粒子物理學的基石，它描述了整個宇宙中所有的粒子。所有被標準模型所預(yù)言的粒子此前都已經(jīng)被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣布初步結(jié)果時，歐洲核子中心ATLAS實驗設(shè)備科學家喬納斯斯蘭德伯格(Jonas Strandberg)就曾表示：“這是標準模型中缺失的一環(huán)，因此如果這一發(fā)現(xiàn)得到最終確認，那么它將最終證明我們目前的認識是正確的?！钡侥壳盀橹梗茖W家們所發(fā)現(xiàn)的這一疑似希格斯粒子似乎和標準模

7、型中預(yù)言的性質(zhì)相吻合。但即便如此，標準模型本身也并不完整：例如它沒有包括引力，也沒有將被認為占據(jù)整個宇宙物質(zhì)總量約98%的暗物質(zhì)成分考慮進去。美國費米國家實驗室CMS中心的物理學家帕提麥克布雷德(Patty McBride)在上周四表示：“即便有證據(jù)清晰地證明目前我們新發(fā)現(xiàn)的這一粒子確確實實就是標準模型所預(yù)言的希格斯玻色子，即便如此我們對宇宙的認識仍然模糊不清。”他說：“我們?nèi)匀徊荒芾斫鉃楹我θ绱宋⑷?，我們還要面對巨大的暗物質(zhì)的存在。不過，對于這一已經(jīng)有48年歷史的經(jīng)典理論來說，邁出了完善的第一步仍然不失為一件令人高興的事。”3. 電弱相互作用確認希格斯粒子還將對電弱相互作用的構(gòu)建產(chǎn)生重要影

8、響。這種作用是對電磁作用與弱相互作用的統(tǒng)一描述，這兩者都是自然界的基本力類型之一。電磁作用描述帶電粒子之間的相互作用，而弱相互作用則描述放射性衰變過程。自然界中所有力的作用都和某種粒子有關(guān)。比如與電磁力有關(guān)的粒子是光子，這是一種質(zhì)量為零的特殊粒子。而弱相互作用力則和名為W和Z的玻色子有關(guān)，這兩種粒子都擁有很高的質(zhì)量值。而所有這些粒子的質(zhì)量來源，便被認為是希格斯玻色子的作用造成的。歐洲核子中心的斯蘭德伯格表示：“如果引入希格斯場的概念，那么W和Z玻色子就會和這個場混雜在一起，在這一過程中它們便獲得了質(zhì)量?！彼f：“這解釋了為何W和Z玻色子會有質(zhì)量，并將電磁作用和弱相互作用兩種基本力統(tǒng)一了起來，構(gòu)

9、成電弱相互作用。”4. 超對稱理論超對稱理論也將受到希格斯粒子發(fā)現(xiàn)的影響。這一理論認為任何一種已知的粒子都有一個“超級伙伴”粒子，這種伙伴粒子擁有輕微差異的性質(zhì)。超對稱理論擁有很大的吸引力，因為它可以統(tǒng)一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭開暗物質(zhì)構(gòu)成之謎。然而到目前為止這一理論的前景黯淡，科學家們只找到了和標準模型預(yù)言的希格斯粒子性質(zhì)極其相似的粒子，但是卻沒有能發(fā)現(xiàn)任何和超對稱粒子有關(guān)的線索。5. 大型強子對撞機大型強子對撞機(LHC)是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設(shè)備率屬于歐洲核子研究中心(CERN)，其目的是創(chuàng)建地球上能級最強大的粒子加速器設(shè)施。而其中找出希格斯玻色

10、子則被列為了該設(shè)備的最優(yōu)先目標之一。此次最新宣布的結(jié)果為LHC此前的結(jié)果提供了強有力的證明，也是對此前一直在這里為達成這一目標而忘我工作的物理學家們所取得豐碩成果的最好證明。斯皮羅普魯在去年的一份聲明中表示：“這項發(fā)現(xiàn)從量子層面支持了我們對于質(zhì)量來源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項無與倫比的成就?！彼f：“科學家們已經(jīng)等待了整整一代人的時間，為的就是這一刻。來自全世界各地大學和研究機構(gòu)的粒子物理學家，工程師和技術(shù)人員們已經(jīng)為了達成今天的這一成就奉獻了數(shù)十年的辛勤工作?，F(xiàn)在是時候讓我們暫時停下腳步，回過頭去審視這項發(fā)現(xiàn)的意義了，然后再繼續(xù)進行海量的數(shù)據(jù)收集和分析工作?！?/p>

11、希格斯玻色子最早是在1964年由英國物理學家皮特希格斯和同事們提出的。而這個名字的后半部分則是為了紀念杰出的已故印度物理學家和數(shù)學家玻色，他與愛因斯坦一同給出了玻色子的定義。玻色子是一類基本粒子，主要包括膠子和引力子等。其負責傳遞費米子之間的相互作用，如夸克，電子和中微子等等。費米子是宇宙中的另外一種基本粒子類型。6. 宇宙的命運希格斯玻色子的確認將為科學家們開啟一扇大門，讓他們得以進行此前無法進行的一些計算。其中一些計算的結(jié)果有關(guān)宇宙的命運。有一種觀點認為宇宙將在未來數(shù)十億年內(nèi)毀滅。在進行這樣的計算時，希格斯玻色子本身的質(zhì)量是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，它預(yù)示了時空的未來命運。目前的測量值顯示，希格

12、斯玻色子的質(zhì)量約為質(zhì)子的126倍，這一質(zhì)量值幾乎已經(jīng)處在了一個臨界點上，它將有可能讓宇宙在未來數(shù)十億年內(nèi)走向毀滅。約瑟夫林肯(Joseph Lykken)是美國費米國家實驗室的物理學家，他表示：“計算的結(jié)果告訴我們，在數(shù)十億年之后宇宙將可能面臨災(zāi)難?！彼f：“這或許意味著我們所生活于其中的這個宇宙本身存在著內(nèi)在的不穩(wěn)定性，在數(shù)十億年之后這一切都將歸于瓦解。”基本粒子質(zhì)量之源若沒有希格斯粒子，其他基本粒子就會仍以光速運行，宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，不能組成物質(zhì)，生命無從談起希格斯粒子究竟是什么?為什么找到它如此重要?早在2000多年前，人類便開始追問，我們所生活的世界是怎樣形成的?從德謨

13、克利特的“原子說”到如今被科學家普遍接受的標準模型理論，從樸素的形而上學概念到標準模型所預(yù)言的粒子陸續(xù)被證實，人類似乎越來越接近這一問題的答案。在標準模型里，宇宙由62種不可再分的基本粒子構(gòu)成，通過強力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復(fù)合粒子，進而構(gòu)成物質(zhì)世界?；玖Ｗ涌梢苑譃閮纱箢悾鹤孕秊榘胝麛?shù)的費米子(fermion)和自旋為整數(shù)的玻色子(boson)。費米子是構(gòu)成物質(zhì)“實體”的粒子，也稱之為物質(zhì)粒子，而玻色子則傳遞基本相互作用，也可稱為載力粒子。然而在標準模型建立過程中，有一個問題卻一直困擾著科學家：按照標準模型理論，基本粒子并沒有質(zhì)量，但實驗結(jié)果卻又清楚表明，除了光子以外的基本

14、粒子都是有質(zhì)量的。1964年，希格斯等人提出了“希格斯機制”的概念，在理論上解決了這個問題。希格斯們認為宇宙間遍布“希格斯場”，基本粒子在與希格斯場的相互作用下獲得了質(zhì)量，而形成希格斯場的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子。根據(jù)對希格斯粒子性質(zhì)的預(yù)言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子，所以又把希格斯粒子稱為希格斯玻色子。希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，并沒有希格斯粒子的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫沖直撞。宇宙誕生十幾秒后，希格斯粒子 誕生，形成了“希格斯場”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發(fā)生碰撞后，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質(zhì)量，而速度就慢下來了。慢

15、下來的基本粒子“夸克”在強相互作用下，抱團組成了質(zhì)子、中子等粒子，質(zhì)子和中子又組成了原子核，原子核與電子在電磁力作用下又形成了原子，原子構(gòu)成分子，由此形成了我們所見到的大千世界。如果沒有希格斯粒子，其他的基本粒子就會仍然以光速運行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質(zhì)，生命也無從談起。希格斯玻色子的存在是希格斯機制的必然結(jié)果之一，假若實驗證實希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機制極大的肯定。更重要的是，它的發(fā)現(xiàn)彌補了標準模型的缺漏，奠定了標準模型的基礎(chǔ)。由于希格斯粒子一直未被發(fā)現(xiàn)，這些重要的問題一直懸而未決。這個標準模型理論預(yù)言的最后一個粒子便一直成為科學家們

16、苦苦追求的目標。等等，萬一希格斯理論被證明是錯誤的，希格斯粒子根本就不存在呢?曾獲諾貝爾獎的著名粒子物理學家萊德曼表示，如果這樣，標準模型理論將被推翻，至少需要進行修改。他表示，“這就像哥倫布啟程去尋找印度群島一樣，他和他的信徒們相信，如果沒有達到目的，他也會發(fā)現(xiàn)一些別的東西，這些東西可能會更有意義。”在這個意義上來說，很多科學家反倒有些失望，畢竟找到一個48年前就被預(yù)言了的“老粒子”多少有些無趣，他們期盼的是更為顛覆性的發(fā)現(xiàn)：假如標準模型被推翻，整個物理世界的理論都有可能要重新改寫。尋找希格斯粒子歷程艱難花費驚人上帝粒子之所以取名為希格斯，是因為它是英國科學家彼得希格斯(Peter Higg

17、s)于1964年提出的(與他差不多同時提出希格斯這一機制的還有其他幾個人，一旦希格斯粒子的存在最后被確認，他們將分享諾貝爾物理獎)。尋找希格斯的工作早在上世紀90年代的LEP對撞機上就開始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴，可惜LEP對撞機由于要讓位于LHC的修建而過早關(guān)閉了，從此便與希格斯擦肩而過(現(xiàn)在看來，LEP的能量再提升一點就有能力看到希格斯了)。接下來前赴后繼的是美國費米實驗室的Tevatron對撞機，這一領(lǐng)世界風騷近20年的對撞機也對希格斯進行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的嬌容，可惜這一對撞機正值壯年就被關(guān)閉了(被關(guān)閉的原因是在能量和亮度兩方面都競爭不過歐洲人的LHC對撞機)。其實在LHC建造之前，美國人已經(jīng)開始建造超級超導(dǎo)對撞機SSC，按照設(shè)計它將是真正的巨無霸對撞機，其能量比LHC還要高3倍，目標也是尋找希格斯?？上В琒SC由于花