上帝粒子是什么?

2020年10月31日 11:02 次阅读 稿源:中科院高能所 条评论

上帝粒子是什么?想解答这个问题,首先需要提及一个名词——“粒子物理”。说起粒子物理,你会想到什么呢?是那个在美剧《生活大爆炸》中,智商极高而情商极低,常常令身边的朋友感到哭笑不得的物理天才“谢耳朵“ Sheldon?还是欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC?近年来最令粒子物理界兴奋的事件莫过于2012年LHC上的实验发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,而其中两位“上帝粒子”的提出者也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

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但是要真正解释诸多粒子和很抽象的科学问题并不容易,尤其是对于非物理学专业的人而言,因此,借助类比和模型就很重要。

比如使用乐高积木。

我们可以想象每块积木都是由数以亿计的粒子构成的,从宇宙大爆炸开始,到认识希格斯玻色子(上帝粒子),再到对未来粒子物理学发展的畅想,这是一次独特而美妙的探索之旅!

虽然积木的类比并不能完美地描述自然,但是却能让我们用最简单的方法了解宇宙的全景。

那么上帝粒子到底是什么呢?它又是如何作用的?下面利用乐高积木来认识一下。

一、上帝粒子

上帝粒子,也称希格斯玻色子。希格斯玻色子(英语:Higgs boson)是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。

希格斯玻色子是非常重要的粒子。科学家在1965年预测了它的存在,2012年正式确定了它的存在,这也是粒子物理学标准模型拼图中的后一块。希格斯玻色子是与希格斯场密切相关的粒子。

希格斯场通过希格斯玻色子的交换作用,减缓了基本粒子的速度,就好像它们要穿过黏稠的糖浆一样。这样可以避免粒子达到最快的速度——光速。这种减速的行为与我们日常对质量的理解类似,如果想加快一个较大质量的物体的移动速度,那么就需要使出更大的力。

希格斯玻色子并不是用同样的方式与所有的粒子相互作用,它的相互作用方式更独特一些。与希格斯玻色子的相互作用越多,粒子的减速越大,观察到的粒子的质量也就越大。

希格斯场的概念图解

1。 顶夸克

顶夸克是最重的基本粒子,与希格斯玻色子的相互作用最多。

2。 “轻”电子

“轻”电子与希格斯玻色子的相互作用非常少,因此它比顶夸克更容易加速到高速状态。

3。 中微子

中微子的质量非常微小,到目前为止还没有确定是多少,所以在所有的费米子中,它们与希格斯场的互动最少。

4。 希格斯玻色子

希格斯玻色子有质量,因为它可以与其自身相互作用,减慢它自己的速度,就像路人在街上闲逛着玩手机一样。

二、寻找希格斯

如果Higgs场(Higgs场,又叫BEH场,BEH场是以罗伯特•布罗特、弗朗索瓦•恩格勒和彼得•希格斯命名的,希格斯和恩格勒因此获得了2013年诺贝尔物理学奖。布罗特在2011年逝世了。)无所不在,那么为什么我们不能总是看到希格斯玻色子呢?

与W玻色子和Z玻色子一样,因为希格斯玻色子质量很大,所以需要很多能量才能产生它们。现在宇宙的平均能量较低, 它们只能以虚粒子的形式存在。要想直接检测到希格斯玻色子,我们需要使用合适的能量将希格斯虚粒子带到真实的世界。

这已经通过大型强子对撞机实现了,主要有 4 种方式,每种都包含了 1个粒子和 1个反粒子的湮灭。

一旦生成,短寿命的希格斯玻色子就会立刻衰变成1个粒子反粒子对。就像W玻色子和Z玻色子的发现一样,希格斯玻色子的存在是根据已知粒子衰变行为的能量总和推断出来的。

如果测得的能量值超过了已知粒子能量的总和,那么就不能用我们已知的粒子来解释这一现象,这非常重要,说明这个能量只能从一种新粒子的衰变中产生。

希格斯玻色子与任何有质量的粒子发生相互作用,一般来说可以衰变成任何有质量的玻色子或费米子——质量越大的粒子,希格斯越可能衰变成它们。

下图演示了希格斯玻色子在大型强子对撞机(LHC,世界最大的强子对撞机)上的 ATLAS和CMS探测器中被观察到的Higgs粒子候选事例衰变模式。

注:上图4中所表述的希格斯玻色子还可以衰变成底夸克和反夸克(H→bb过程)于2018年在LHC上的ATLAS实验上观测到了,该书英文原版出版于2017年,出版时还未观测到。

虽然2012年LHC上发现了Higgs,但是它的信噪比低,不足以更详细的研究希格斯玻色子的性质。

而中国提出的环形正负电子对撞机(CEPC)则可以制造大量干净的希格斯粒子事例从而精确测量其性质,确认该粒子是否标准模型希格斯玻色子,并通过它深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题,寻找超出标准模型的新物理的线索。

CEPC周长约100公里,大约为LHC周长的4倍,将是世界上最大的大型对撞机,它的建设将能极大促进中国高能物理的研究,也将使我国成为世界粒子物理学的研究中心之一。

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