陳根:十萬億質子碰撞,生成玻色子「三胞胎」

2020-12-03 陳根

文/陳根

據物理學家組織網27日報導,美國科學家藉助歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)和其緊湊繆子線圈實驗(CMS),首次觀察到極罕見的玻色子「三胞胎」生成事件。

研究人員稱,最新觀測涉及W或Z玻色子「三胞胎」的生成。玻色子包括光子、W玻色子、Z玻色子、膠子和希格斯玻色子。W或Z玻色子都攜帶弱力,但Z玻色子不帶電荷。弱力是宇宙四大基本自然力(另外三種力分別為強力、電磁力和萬有引力)之一,與放射性現象和太陽內部熱核過程密切相關。粒子物理標準模型是描述強力、弱力、電磁力及組成物質的基本粒子(包括玻色子)等的理論。

而希格斯玻色子,幾乎是神話般的實體,讓粒子物理學成為了全球關注的焦點。1964年,英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在,並進而預言了希格斯玻色子的存在。希格斯玻色子是支撐起我們這個宇宙的重要粒子,是基本粒子質量的來源

希格斯認為粒子穿行於空間中,應該承受著某種「阻礙」,使其需要有所付出才能獲得加速度,在宏觀世界中體現為「質量」。而空間中的這種使物質獲得質量的機制,就被稱作「希格斯場」(Higgs field)。

後來,歐洲核子研究組織(CERN)在日內瓦建造了一座「大型強子對撞機」(LHC),科學家們開始嘗試把粒子加速到接近光速的速度,希望能從空間中找到「希格斯場」中的粒子,也就是「希格斯粒子」,以此驗證希格斯的理論。

2013年,通過對撞機實驗,初步確認已經發現了「希格斯粒子」,定名為「希格斯玻色子」(Higgs Boson,粒子分為「玻色子」和「費米子」兩類,它們的自旋特性不同),證明了「希格斯場」的存在,希格斯本人也因此榮獲諾貝爾獎。

在研究中,研究人員發現當被加速到接近光速的高能質子束沿著LHC的圓形軌道在幾個點迎面相撞時,就會有玻色子「三胞胎」生成——兩個質子相撞時,質子內部的夸克和膠子被迫分開,W或Z玻色子隨之出現。在極罕見的情況下,它們以「三胞胎」形式——WWW、WWZ、WZZ和ZZZ出現。研究人員表示,10萬億個質子—質子碰撞,才會生成一個此類三胞胎,這些事件發生的概率僅為發現希格斯玻色子的50分之一。

通過收集更多此類事件和其他罕見事件的數據,研究人員將能以更高精度測試對標準模型的預測,最終發現並研究超越標準模型的新相互作用。

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