粒子物理標準模型封頂—本書《尋找希格斯粒子》帶你了解全部過程

2020-12-18 星弦科學

上個世紀六十年代,英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)開始嘗試研究物質擁有質量的根本原因。「希格斯粒子」(Higgs particle)與空間中的物體的質量的形成有關。有了質量,粒子才會結合為原子,有了原子,才會有分子,有了分子,才能有物體。因此,「希格斯粒子」被認為是一種形塑了世界萬物的粒子,沒有它,就沒有人們所見的世界,可能這就是為什麼它會被讚譽為「上帝粒子」(God particle)的原因。簡而言之,它就是一個賦予萬事萬物質量的粒子。當然找見它的過程也異常艱難,這本書詳細記錄了所有過程,下面我分為三個部分帶你解讀。

本書的第一部分主要講:

1. 萊德曼原本稱呼希格斯玻色子為「該死的粒子」,被編輯劃掉幾個字母變成了高大上的「上帝粒子」

2. 正因為希格斯玻色子的存在,很多基本粒子的有了不同的質量和不同的壽命。

3. 強力、電磁力都只依靠一種粒子來傳遞相互作用。唯獨弱力需要3種粒子來傳遞,背後就是希格斯粒子在搗鬼。

4. 以量子場論的觀點,每種粒子都伴隨著一種場,粒子是場的激發態。振蕩在量子場之中傳播,於是我們看到了一個個的粒子。

5. 一般場的基態應該為0,希格斯場是例外,希格斯場的基態不為0.

6. 夸克永遠不會單獨出現,這就是夸克禁閉原則。各種不同的夸克搭配組合,造成了上世紀60年代粒子動物園的情況。

7. 60年代,斯坦福直線加速器上的「深度非彈性散射」實驗間接證明了夸克的存在。主要參與者弗裡德曼、肯德爾、泰勒拿了1990年的諾貝爾獎。

8. 世界最大的加速器是歐洲的大型強子對撞機。美國的超級超導對撞機胎死腹中,白花了 20 億美元,但是省下了上百億美元。

9. LHC 開足馬力可以每秒製造 10 億次質子碰撞,單個粒子可以被加速到8TeV 的能級。

10. 因為相對論效應,兩個質子對撞就相當於兩張披薩餅對拍。壓縮後的觀測數據量達到 1 兆。每秒 10 億次碰撞會產生海量的數據。

本書的第二部分主要講:

1. 量子力學的起點是為了解釋光和熱輻射的奇異行為

2. 對於電子,無論我們以什麼為軸進行測量,我們只能精確地測得順時針旋轉或逆時針旋轉。量子化就是數值的不連續。

3. 物質到底是粒子還是波?物質是波,當仔細觀察的時候,看到的是粒子。

4. 各種力都來源於場,玻色子場的數值表示粒子出現的機率,費米子場的數值代表此處的粒子有還是沒有。

5. 中子的衰變,費米用場來進行解釋,就像一根琴弦引起了其他3根琴弦的共鳴。中子的能量傳遞給了其他場,於是就衰變出了質子+電子+反電子中微子

6. 粒子的變化也遵守一系列守恆定律,比如能量守恆,電荷數守恆,輕子數守恆,夸克數守恆等等。

7. 重粒子總傾向於衰變成較輕的粒子。電子和質子都是自身所處的大類之中最輕的,都是穩定的,無法再衰變了。光子這種無質量的粒子是不會衰變的。

8. 希格斯場就像狂熱的粉絲,會導致人氣明星行動苦難,這是一個非常形象的比喻。可以用來描繪慣性質量如何產生。

9. 在物理學之中,對稱性是非常重要的概念,正是因為希格斯場打破了對稱性,才導致很多粒子有了不同的質量和不同的壽命

10. 實驗物理經常用σ數值來代表顯著性。3σ的偏差被認為是存在某種東西的「證據」,而要聲稱「發現」了某種東西,則需5σ的偏差。達到5σ的水平,撞大運偶然碰到的可能性只有千萬分之一。

本書的第三部分主要講:

1.大型科學工程發表成果與論文都要遵循嚴格的程序,防止出現不必要的錯誤。

2.OPERA實驗發現中微子超光速現象是一場烏龍事件,是由於一個網線接頭鬆動導致的誤差。假如數據不準確,σ再高也沒用。這是一次深刻的教訓。

3.現代各種媒體和自媒體都很發達,而且已經有出現物理狗仔隊的去世,很可能洩露出來的不完整信息會誤導公眾。

4.電流會產生熱量是因為電子在導體內部流動會不斷地發生碰撞,電子振動會輻射出少許光子,造成能量損失。

5.低溫下,電子組成庫珀對,儘管電子是費米子,但是電子對表現的行為像是一個玻色子。

6.庫伯對構成的玻色子場賦予光子質量,電子振動輻射出光子的門檻也就跟著變高。導致難以輻射出光子,能量不會損失。這就是超導的基本原理。

7.南部陽一郎第一個提出了夸克的顏色概念,第一個預言了膠子的存在,對弦理論也有貢獻,是個了不起的科學家。

8.希格斯機制的提出者不是希格斯一個人,起碼有三組人馬都接近了大門邊,但是明確講到希格斯粒子的是希格斯。

9.暗物質粒子最有力的候選者是WIMP粒子,探測WIMP粒子有深山隧道裡的直接探測方式,也有太空裡衛星上的間接探測裝置。

10.大型對撞機是非常昂貴的大科學工程,各個國家都會感受到資金上的壓力,我國建還是不建都是艱難的選擇。

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