《科學》雜誌評出年度最重大突破:希格斯玻色子

2020-11-22 第一財經

對於耗資55億美元方才建成、直到啟動日仍麻煩纏身的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC),希格斯玻色子(Higgs Boson)確實是來自「上帝」的一個好消息。這顆在粒子物理學的標準模型中被最後發現的粒子,被充滿敬畏地稱為「上帝粒子」——科學家曾認為,它將能夠解釋物理學上其他基本粒子何以擁有重量的關鍵。

12月20日,希格斯玻色子被美國《科學》雜誌列為本年度最重大科學突破。緊隨其後,丹尼索瓦人基因組、基因組的精密工程、「好奇」號火星車的著陸系統等等,同時進入年度十大科學突破。

毫無疑問,「上帝粒子」的發現,是2012年最受關注的科學進展。媒體蜂擁,大眾雀躍,「『上帝粒子』日快樂。」流行樂團黑眼豆豆的主唱will.i.am在推特上寫到。

此前,研究人員一直在觀測位於瑞士的世上最大的粒子加速器LHC。就在7月4日,他們宣布發現了一個粒子,可能是研究者夢寐以求的希格斯玻色子。粒子物理學也許是科學領域中最詳細和精確的理論,它描述了組成普通物質的粒子,但乍一看,這一標準模型似乎是無質量粒子的理論。這便是希格斯玻色子的來源:物理學家認為真空充滿了「希格斯場」,粒子與希格斯場相互作用獲得能量。

假設在40多年前,對希格斯玻色子的觀察將使這整個標準模型變得完整。「目前面臨的唯一問題,是它是否標誌著粒子物理發現的新時代開端,還是該領域順其自然的最後歡呼。」《科學》雜誌在其刊布的文章中說。

《科學》選擇希格斯玻色子,更因為它在知識性、技術性和組織性上獲得的勝利。除了耗費巨資製造的27千米長的大型強子對撞機,歐洲粒子物理實驗室的研究人員還為發現希格斯玻色子,製造了25米高、45米長的ATLAS粒子探測器,以及重達12500噸的CMS粒子探測器。

為了測試發現的粒子是否真的是希格斯玻色子,研究人員現在正在計算它衰變為其他粒子組合的比率。物理學家曾在之前做了類似的預測。1970年,當時只有3種夸克是已知的,理論家預言了第四種的存在,4年後即被發現。1967年,他們預言傳遞弱作用力的粒子存在,1983年W玻色子和Z玻色子被發現。

「粒子理論家提供了各種預言竅門。」《科學》雜誌繼續寫道,「鑑於沒有兩個星系是完全相同的,而所有的質子是相同的。所以當碰撞它們時,物理學家無需擔心這個質子或那個質子的特性,因為它們根本沒有特性。」另一些理論家則認為,標準模型應將其預測能力歸功於該理論基於數學對稱概念的事實。「簡而言之,對稱性的觀點是預測中強有力的工具。」

但希格斯玻色子的發現,標誌著標準模型中已無預言可測試。「他們有充足的理由認為,標準模型並不是基礎物理的最終結果……理論本身證明,希格斯玻色子和其他粒子之間的相互作用應該會使希格斯玻色子變得非常重。所以物理學家懷疑,潛伏在真空中的新粒子可能會抵消這種效果。」

實際上,科學家無法保證在大型強子對撞機LHC或其他可以想像的對撞機的工作範圍內是否還存在著新的物理成分。「標準模型可能是所有宇宙內部運作中大自然願意透露的全部。希格斯玻色子的發現是一個突破。粒子物理學家未來是否會再一次獲得類似的突破呢?」

 

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古代DNA研究的全壘打

兩年前,古遺傳學家發布了尼安德特人(Neandertal)的完整核基因組,從而成功入選了「年度突破」的榜單;去年,同一個實驗室組合出了5萬年前生活在西伯利亞古老人類——丹尼索瓦人(Denisovan)的基因組,因此再度當選。今年,一個執著的博士後——馬蒂亞斯·邁耶(Matthias Meyer)摸索出了一個聰明絕頂的新方法,這個方法幫助他的團隊重新審視丹尼索瓦人的DNA,並將其重新排序了31次。他們從這個生活在丹尼索瓦山洞的西伯利亞女孩兒身上得到的DNA細節,清晰、豐富的程度已經不遜於從活人身上提取的DNA。很明顯,科學家對這項技術的應用將會促進古代DNA研究的飛速發展。

基因組的巡航飛彈

今年,基因工程師開始利用一些十分有利用潛力的強大新工具,以便生物學家在研究從酵母到人類的各種有機體之時,可以輕鬆修改DNA。轉錄激活因子樣效應物核酸酶(transcription activator–like effector nucleases,簡稱TALEN)便是這些工具中的一個,它可以破壞或改變斑馬魚、爪蟾以及其他牲畜的特定基因。TALEN是一種蛋白質,它可以切除特定位置的DNA,並隨之修復修改目標基因。一組研究人員利用該技術製造了一隻迷你豬,並將其應用到心臟病的研究中去。其他人正在忙於修改老鼠、蟋蟀甚至人類的病變細胞中。僅僅在幾年前,這些進展還都是難以想像的。TALEN相對於過去所用的鋅指蛋白(zinc finger protein)更加便於使用,成本也更低。而同時,還有另一種利用細菌細胞裡的CRISPR效應酶蛋白Cas9因子的新技術應運而生,如今的工程師們對該項技術的發展前景十分看好,他們正在對其進行細菌之外的嘗試,或許它有一天可以取代鋅指蛋白與TALEN,成為核基因組工程技術的新霸主。

中微子物理學的大門被開啟

有時,結果之所以重要,並不一定是因為它代表著事件的完結。今年,物理學家測量出了中微子在以近乎光速的速度進行變幻莫測的相互轉換過程中的最後一個參數。結果表明,在未來的幾十年裡,中微子物理學將會像每一位物理學家所預想過的那樣,變得繁複起來。甚至對於解答類似「包含了如此多物質與如此之少的反物質的宇宙是如何演變的」這種問題,它都有可能提供幫助。

基因之外的基因組

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馴服恐怖火星

它看起來像一場有待發生的墜毀事故,但新的「天空起重機」著陸系統專為發送「好奇號」(Curiosity)而設計。好奇號在太平洋夏令時8月5日成功著陸於火星赤道附近的蓋爾撞擊坑(Gale Crater),儘管火星的條件使得工程師從頭至尾都無法檢測好奇號的「進入減速著陸系統」(entry, descent, and landing,EDL),但它的表現仍舊堪稱完美。

X射線首次分析蛋白質結構

一百年前的物理學家發現,通過晶體彈射的X射線可以揭示晶體的原子足度結構(atomic-scale structure)。今年,在科學家使用X射線雷射以分析一種蛋白質的結構之時,首次運用了「X射線的衍射」,將X射線使用到了登峰造極的程度。這一進展使得X射線雷射在研究蛋白質中的應用史無前例地進入到了傳統X射線所不能及的領域。

賽博人類不再遙遠

在賓夕法尼亞州的研究人員報告說,一名由於一種遺傳性神經變性狀況而導致高位截癱的53歲女子,已經學會了通過她的想法操縱一個機器手臂。醫生通過手術在她的大腦內植入了兩個4×4毫米的網格,細如髮絲的電極從負責手部動作的區域捕捉信號。一臺計算機將這些信號翻譯成控制機器手臂的指令,機器手臂的運用幾乎可以媲美真實的手臂。

馬約拉納費米子,掀起你的蓋頭來

納米科技不只是一個時髦的流行語而已,它已經製造了價值數十億美元的產品,其中包括更優質的電池和棒球棍。今年,在該領域的研究人員又賦予了其另一種不同的價值:他們的首個可能是粒子的發現,馬約拉納費米子(Majorana fermions)。

不過,目前的量子比特技術實在太難計算。溫度或其他外界最輕微的影響都會抹掉一個標準的量子比特所存儲的信息。理論計算表明,馬約拉納費米子即使在受到外部力量的衝擊時,都能夠「記住」量子態。所以,現在的荷蘭科研團隊以及其他的科學家都十分希望證實這個理論,如果該理論被證實的話,納米科技大概很快就有吹牛的資本了。

幹細胞裡造卵子

研究人員在實驗室中製造卵細胞的嘗試已經超過了10年。今年,他們又朝著這一目標邁出了重要一步:實驗室裡老鼠生下的幼鼠,首次由胚胎幹細胞(ES細胞)轉化而來的卵子孕育而成。該項技術由日本研究人員開發,目前在育熟卵細胞之時仍舊需要一個老鼠提供母體,因此它還沒有達到它的最終目標:完全在體外獲得卵細胞。但這項技術確實表明,ES細胞可以轉化為可育的卵母細胞,它為科學家們提供了一種方法,以了解這些複雜強大的細胞是如何發展的。

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    希格斯玻色子隱藏著什麼秘密呢?其實很多的科學著作給大家做出了解釋,只不過他們說的十分複雜,所以很多朋友們不能夠理解,其實希格斯玻色子是宇宙大爆炸的最初期的關鍵物質,甚至可以說能夠影響我們現在的宇宙。這個道理很簡單,如果宇宙單一會因為希格斯玻色子而不穩定的話,那麼宇宙的暗物質和暗能量將會如何變化,因為科學技最新的發現暗物質很可能是一種粒子模式的存在,所以希格斯玻色子很難扮演宇宙毀滅者的形象,但是希格斯玻色子確實是很重要的一種粒子,很可能和宇宙的初期有直接的聯繫,這才是科學技最主要的研究方向。
  • 美國著名《科學》雜誌評出年度十大科學突破/圖
    1、上帝粒子  今年7月,大型強子對撞機發現了神秘的亞原子粒子——希格斯玻色子,它也被稱為這項發現也成為《科學》雜誌2012年十大科學突破之首。據悉,希格斯玻色子概念是20世紀60年代英國彼特-希格斯提出的,他預言這種粒子是物質的質量之源,其它的粒子在希格斯玻色子構成的「海洋中遊動」,它們受這種神秘粒子的作用而產生慣性,最終具有質量。  科學家表示,發現希格斯玻色子將證實標準模型中「最後缺少部分」,標準模型這一科學理論能夠解釋亞原子範疇。
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    英國《自然》雜誌網絡版近日公布了其評出的2016年產生重大影響的科學事件,其中除了科學家首次探測到引力波的存在等重要科學發現外,中國在航天、氣候變化以及基因技術領域取得的多項重要成果也被《自然》雜誌認為產生了重大影響。  2016年較受矚目的科學事件當屬引力波。
  • 復旦教授解讀尋找希格斯玻色子的意義
    復旦大學物理系教授吳詠時什麼是希格斯玻色子希格斯玻色子是物理學標準模型當中最後一個待發現的粒子。7月4日歐洲核子研究中心(CERN)的科學家宣布,在尋找希格斯玻色子的過程中,他們發現了一個新粒子,與希格斯玻色子有吻合之處。
  • 希格斯玻色子為什麼被稱為「上帝粒子」?
    希格斯玻色子源於上個世紀60年代的理論預言,在2012年,該粒子首次被歐洲核子研究組織通過強子對撞機尋找到,希格斯玻色子對標準模型的完善至關重要。我們通常認為由於希格斯玻色子賦予了傳遞短程力的玻色子(弱力和強力的傳播子)以質量,所以才構成了原子核的穩定。這種重要意義不亞於上帝創世。所以我們應該將希格斯玻色子命名為「上帝粒子」來彰顯其重要性。但事實遠非如此,上帝粒子最早起源於已故科普作家—萊昂·萊德曼在1993年出版的科普著作《上帝粒子》的書名。
  • 【科技新詞】希格斯玻色子
    歐洲核子研究中心的研究人員聲稱,他們首次發現了希格斯玻色子的一些線索,並推算出它的質量為124~126GeV。  標準高能物理學模型曾把基本粒子分成3類:夸克、輕子與玻色子。為了修補這個缺陷,英國物理學家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。  設想中的希格斯玻色子是物質的質量之源,是電子和夸克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的場中,受其作用而產生慣性,最終才有了質量。令人遺憾的是,希格斯玻色子至今尚未在實驗中被觀察到,也是標準高能物理學模型中最後一種未被發現的粒子。  希格斯玻色子是一種自旋為0的玻色子。
  • 邢志忠:我與希格斯玻色子
    【連結】  《希格斯——「上帝粒子」的發明與發現》一書的譯者為中科院高能物理研究所的著名粒子物理學家邢志忠研究員,他對希格斯粒子的前世今生熟悉有加,2011年就曾在科學網上貼出題為「圍追堵截希格斯之戰已進入生死關頭」的博文。早在今年5月下旬,他就預測,如果一切都不出人們所料的話,恩格勒和希格斯榮獲今年的諾貝爾物理學獎已經不是懸念。
  • 希格斯玻色子究竟是什麼?
    粒子物理學通常很難與政治和名人八卦競爭新聞頭條,但希格斯玻色子已經引起了廣泛的關注。這正是2012年7月4日發生的事情,當時歐洲核子研究中心的科學家宣布,他們發現了一種粒子,它的行為方式與他們預期的希格斯玻色子的行為方式一致。
  • 發現希格斯玻色子,就意味著物理學會因此而終結嗎?
    我們肯定會非常絕望,事件視界望遠鏡團隊最好給世界上每一個活著的物理學家四年的Private Eye雜誌。對史蒂芬·霍金來說,說希格斯玻色子會讓物理無聊很容易。讓他說說黑洞吧——他研究的領域——然後我們再來說說。從某種意義來說,希格斯玻色子對粒子物理學的意義就像黑洞對於天體物理學一樣。
  • 上帝粒子—希格斯玻色子
    上帝粒子希格斯玻色子,是一種沒有質量的粒子,是所有的粒子中最為著名的一個,也是最為重要的一個,並且這個粒子是所有的62個粒子中唯一一個沒有質量的粒子,是粒子物理學標準模型中自旋為零的玻色子。  在粒子物理高能粒子物理的微觀粒子中『玻色子是可以與費米子對稱耦合』形成可測量的『實粒子』,希格斯粒子是希格斯玻色子的『反粒子』希格斯場的場量子化激發產生希格斯實粒子,它通過自相互作用的介質而獲得質量。  希格斯玻色子是因物理學者彼得•希格斯命名,物理學家利昂•萊德曼無意中為希格斯玻色子起了「上帝粒子」這麼一個名字。
  • 首次觀察到希格斯玻色子最重要衰變
    希格斯玻色子可以衰變成各種不同粒子,之前科學家們已經觀察到其衰變成光子、T-粒子以及W玻色子和Z玻色子等過程。不過,這些已經觀察到的衰變雖有重要意義,但其在希格斯玻色子的衰變中只佔不到30%,而希格斯玻色子衰變成一對底夸克,才是其最頻繁發生的衰變過程,佔比高達58%。
  • 從首個合成生命,到希格斯玻色子,那些被人遺忘的10年輝煌(上)
    科學前沿觀天下 篤學明理洞寰宇在過去的十年中,世界物理學、生物學和天文學等領域都取得了巨大的突破。然而鑑於科學和技術的日新月異,幾年前曾經很新鮮的事物,如今可能已被人們遺忘。自這一突破以來,科學家在合成生物學上不斷取得進步。2016年,科學家們構建了迄今為止最小的合成微生物,僅有473個基因。2017年,宣布創建了五個合成酵母染色體,該計劃是用合成染色體替代酵母中的所有16 條染色體,這些合成染色體可以進行調整以執行某些任務,例如大量產生抗生素。
  • 希格斯玻色子讓萬物擁有質量
    希格斯玻色子讓萬物擁有質量 青島全搜索電子報   2013.10.09 星期三     標準粒子模型理論中共預言了62種基本粒子的存在,希格斯玻色子正是該理論依賴的基石。作為物質的質量之源,希格斯玻色子連接著粒子獲得質量的領域。
  • 趣說上帝粒子--希格斯玻色子
    第四列是規範玻色子,第五列則是希格斯玻色子。(圖片源於:維基百科)史蒂文:那希格斯場為什麼可以解釋質量呢?戴夫:當一個粒子穿過希格斯場時,會與場相互作用從而獲得質量。相互作用越頻繁,獲得的質量就越大。史蒂文:我有點懂了。但這發現很重要麼?如果沒有希格斯場又會怎麼樣?戴夫:如果希格斯場不存在,那整個宇宙就都不復存在了。
  • 希格斯玻色子真的被製造出來了嗎?
    沒有質量的粒子的碰撞似乎不能產生「能夠賦予質量」的希格斯玻色子,但是在大型強子對撞機(LHC)中,只要一秒鐘就會產生希格斯玻色子。愛因斯坦最著名的理論,通常都會被寫成E=mc^2,告訴我們能量和物質只是同一枚硬幣的兩面。
  • 霍金評論希格斯玻色子讓物理變得無趣。那麼,這是真的嗎?
    在這種情況下,事件視界望遠鏡團隊最好為地球上每一位在世的物理家贈送四年份的《Private Eye》 雜誌。對於史蒂芬·霍金來說,他是能很輕易地說出希格斯玻色子的發現會使物理變得無趣。那我們就把希格斯玻色子和他研究的黑洞放一起聊聊。
  • 希格斯玻色子的證明或許能解釋萬物的來源
    對於希格斯玻色子或許很多人都不知道是什麼意思,很多人聽都沒有聽過,但是對於上帝粒子卻很多人都知道,希格斯玻色子別名又稱上帝粒子,是粒子物理學標準預言的一種玻色子,並且在2012年的時候被正式確定存在,希格斯玻色子是物理學中所有粒子中最後被發現的一個粒子,對於希格斯玻色子的證明能夠解釋物理學上很多的問題,但是對於其在理論及現實中的應用卻比較少,其中希格斯玻色子的存在能夠證明物質的來源,甚至有學者提出,希格斯玻色子的存在能夠說明宇宙本不應該存在,雖然很多科學家非常推崇上帝粒子,但是上帝粒子也不能解釋宇宙中的所有問題。
  • 這就是希格斯玻色子衰變的過程以及對粒子物理的意義
    博科園-科學科普-粒子物理學類在發現希格斯玻色子2012年物理學家發現了希格斯玻色子(Higgs boson)。希格斯玻色子是由標準模型預測的一種基本粒子,與物體的質量有關。但這一發現並沒有標誌著希格斯玻色子探索的結束。除了預測希格斯玻色子粒子的存在,標準模型還假設60%的情況下,希格斯玻色子粒子將衰變為基本粒子,即底夸克(b夸克)。
  • 希格斯玻色子的質量有了最精彩測量,或將揭示宇宙長期穩定的奧秘
    希格斯玻色子是在二零一二年的時候發現,這次發現讓科學家對於宇宙的形成有了一個初步的認識。我們知道宇宙大爆炸開始,形成了巨大的能量,之後能力逐漸轉化為粒子,那麼能量和粒子的轉化之間就需要一種粘合劑,因此希格斯玻色子就是重要的角色,有了希格斯玻色子的力場,所以才能夠將粒子粘合起來,形成了我們現在的宇宙。
  • 最新研究稱希格斯玻色子或不是最小粒子—新聞—科學網
    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,假設出的希格斯玻色子是物質的質量之源,是電子和夸克等形成質量的基礎。