天使粒子浮出水面 那麼獲得諾貝爾獎的上帝粒子可以用兩個字來描述...

2020-12-04 遨遊世界科學

量子粒子分為兩大類:費米子(如電子、質子)和玻色子(如光子、介子)。玻色子可以成為其自身的反粒子,而費米子擁有與自身完全不同的反粒子。

2017年7月,由張首晟等4位華人科學家領銜的科研團隊找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉納費米子,震驚整個物理界,至於能否獲得諾貝爾獎還未蓋棺定論。那麼已經實打實獲諾貝爾獎的「上帝粒子」又是如何個神秘法呢?

大有來歷的名字

彼得·希格斯是一位英國物理學家,出生在英格蘭泰恩河畔紐塞,以希格斯機制與希格斯粒子而聞名於世。1964年,他提出「希格斯玻色子。1988年,諾貝爾物理學獎獲得者利昂·萊德曼無意中為希格斯玻色子起了「上帝粒子」(God Particle)這麼一個名字。萊德曼寫了本科普書,原書名叫「該死的粒子(Goddamn Particle),因為希格斯玻色子難以找到,但出版商認為不妥,遂改成了「上帝粒子」。然而,許多科學家卻不喜歡這一稱呼,因為它過分強調了這粒子的重要性和太宗教化。希格斯本人也不喜歡,但有意思的是,當別人提到「希格斯玻色子」時,希格斯總是誠惶誠恐,因為他覺得「不配用自己的名字」命名這種粒子。

發現希格斯玻色子

希格斯玻色子是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子,它也是標準模型中最後一種未被發現的粒子。英國物理學家希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯機制。在此機制中,希格斯場引起自發對稱性破缺,並將質量賦予規範傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發,它通過自相互作用而獲得質量。

希格斯機制是蘇格蘭物理學家彼得·希格斯和其他理論物理學家同時發現的一種物理機制。

在規範場理論中,規範粒子的質量是為對稱性所不允許的。這是楊-米爾斯理論的嚴重缺陷。隨著對對稱性破缺的深入研究,特別是南部-戈德斯通定理的發現,物理學家們發現在規範理論中零質量的南部-戈德斯通粒子能為零質量的矢量規範粒子提供縱向分量,從而賦予它們以質量。

歐洲核子研究中心(CERN)昨日(2011年12月13日)公布來自大型強子對撞器(LHC)的重要數據,顯示「可能看到」有「上帝粒子」之稱的希格斯玻色子。該理論解釋粒子為何擁有質量,從而演化為我們身邊的萬事萬物,如果這一粒子被確認,那將是100年來人類最偉大的發現之一。

2012年7月4日,歐洲原子中心(CERN)今天宣布發現新亞原子粒子,疑似上帝粒子。

2013年3月14日,歐洲核子研究組織公開確認:

"緊湊μ子線圈小組與超環面儀器小組已對這粒子所擁有的自旋、宇稱可能會產生的狀況仔細分析比較,這些都指向零自旋與偶宇稱(符合標準模型的兩個對於希子的基要判據)。這事實,再加上測量到的新粒子與其它粒子彼此之間的相互作用,強烈顯示這就是希子。

上帝粒子的神秘之處

要理解「上帝粒子」,不妨回憶一下牛頓發現萬有引力定律的故事。儘管研究人員已經證明,蘋果並沒有砸中牛頓腦袋,但是牛頓卻看見了一個蘋果掉了下來。牛頓思考的是,為什麼蘋果會垂直地掉到地上?一定是有什麼在拉它,比如是地球的引力在拉它。而地球拉蘋果說明蘋果是有質量的。而是什麼賦予這種力量的存在呢,很可能就是上帝粒子。

自然界中物體之間的相互作用力可以劃分為4種,即引力(重力)、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。愛因斯坦的相對論解決了重力問題之後,理論物理學家開始嘗試建立統一的模型,以期解釋通過後3種力相互作用的所有粒子。上世紀60年代,物理學家們構造了一個標準模型,來描述所有這些基本粒子及各種力出現的機制。標準模型中引入了英國物理學家希格斯提出的一種機制:空間中充滿著希格斯粒子,物質本身無所謂質量,質量是物質與希格斯粒子的相互作用。

該模型把基本粒子分為夸克、輕子和玻色子3大類,預言了62種基本粒子的存在若該粒子出現,物質質量起源之謎也將會揭開;若該粒子不存在,理論上只能要求所有粒子無一例外地必須完全沒有質量,這無疑與現行的實驗觀察相矛盾。令人震驚之處就是:物理學家們若要重新評估該論述,其意義可不只是一條理論的修改,而是一場顛覆。

於是希格斯玻色子,成了整個亞原子界最聞名遐邇卻最令人迷惑的小東西,長期以來其蹤跡佔據著整個粒子物理學界的研究中心。它的標準含義是「粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子」,它的身份描述兩個字就可以:神秘。

希格斯的感慨

在LHC用液氮冷卻,讓質子以99.99%光速穿過巨大圓環之前,希格斯曾經來到日內瓦看了看這個大到讓人感覺變態的機器。他進入91米深的地下隧道,觀看了LHC的兩隻「巨眼」———記錄器CMS和Atlas。他說:「那個體積一下子就把我壓倒了,人們解決的那些技術難題給我留下了很深的印象。」具有諷刺意義的是,當初正是在CERN供職的編輯槍斃了希格斯的論文。

希格斯表示,他有90%的把握說LHC將會「撞」出希格斯玻色子。他希望能在2013年5月自己過84歲生日之前看到人類發現微觀世界標準模型上的最後一個粒子。「如果我關於質量的預言是正確的,很快就能看到相關數據;但是你公布這些數據之前要分析它們,這需要一段時間。」

記者問希格斯,如果LHC真的像大家期待的那樣發現了「希格斯玻色子」,那他會做些什麼?

希格斯靦腆地說:「我應當會打開一瓶東西……」

什麼東西呢?

「香檳。喝完一瓶威士忌的時間太長了。」

那如果不成功呢?

希格斯表示如果這次還是沒有成功,他會感到困惑:「如果我是錯的,我會非常傷心。如果沒有找到它,我就會不再理解以前以為理解的東西。」

真的要感謝這些為世界科學做出偉大的貢獻的人!沒有他們就沒有人類的進步!

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