科學家是怎麼確定希格斯粒子的?

2020-12-05 鍾銘聊科學

其實關於這個問題,無非就是分兩步來完成的,首先是科學家的理論預測,然後是通過實驗找到相關證據。

預測

那說起希格斯玻色子,我們就要先給希格斯玻色子定一個位置,它在什麼理論當中,有什麼用處。這要從上世紀的物理學發展說起,當時科學家發現了很多粒子,林林總總加起來得有100多號。這時候,他們就想如何利用理論把這些粒子的關係搞清楚。

那這個問題該如何去思考呢?其實,人類很早就有這方面的意識,那就是構成物質的應該是不可再分的基本粒子,但是要你要讓粒子們老老實實地待在一起,就需要相互作用。科學家發現,在宇宙中存在四種相互作用,引力,電磁力,強相互作用,弱相互作用。

科學家先是通過狹義相對論和量子力學構建了量子場論。然後基於規範場論,如果滿足對稱性的要求,就得引入了傳遞基本作用的規範玻色子。比如:傳遞電磁力的規範玻色子就是光子。但是強相互作用,弱相互作用還有引力其實是沒有著落的。當然,我們也知道,後來引力一直沒辦法納入到整個個體系中。

楊振寧和米爾斯在1954年的時候,就從麥克斯韋方程方程入手,試圖把理論延伸到強相互作用和弱相互作用。但是,這時候就出現了一個問題,如果按照理論框架走,傳遞強相互作用和弱相互作用的玻色子就會出現質量為零的情況。

為了能夠解決這個問題,多位學者開始著手研究這個問題,他們要做的是要讓基本粒子有質量,同時還不能和規範場理論相互衝突。許多科學家都給出了解決方案,而由希格斯等人分別獨立特出的希格斯機制被廣泛接受,並且他們預言了希格斯玻色子(假設希子質量為126GeV)的存在,是希格斯場讓基本粒子減速,並且獲得質量。

但是理論到底對不對,還是要依靠著實驗來證明的。在希格斯機制中,希格斯場是廣泛分布於整個宇宙空間的,無處不在。而希格斯玻色子其實就是希格斯場的漣漪,就有點像引力波之於引力場的感覺。

實驗

那也要如何找到希格斯玻色子呢?

說白了還是要用到大型粒子對撞機,這個實驗的原理其實是兩個粒子束加速到極其高的能量狀態,然後讓它們在粒子探測器當中相互碰撞,用這樣的辦法就有可能生成希格斯玻色子。

根據理論,希格斯玻色子的壽命其實極其短(我們其實管這個叫做半衰期),它會在極短的時間內(平均壽命1.56×10^22 s)發生衰變,但由於整個過程是在太快了,所以,探測器一般只能記錄下所有的衰變產物。科學家通過實驗數據去重建整個衰變的全過程,如果結果是符合希格斯玻色子的衰變理論,那就有可能是找到了。

聽起來好像很容易,實際上這個是特別難的事情,或者說是概率極其低的事情,大概只有百億分之一。也就是說,做這個實驗的科學家要搜集幾百億個碰撞時間的數據,然後進行分析。只有那些符合理論的才有可能是希格斯玻色子的衰變事件。其實這也就意味著需要處理數據能力超強的電腦。

一開始有一些頂級的實驗室加入了尋找希格斯玻色子的實驗中來,但是都失敗了。為了能夠找到希格斯玻色子,科學家建造了一臺性能更加強勁的對撞機,並且還配備了一臺超高性能的計算機。完成這個實驗的是歐洲核子研究組織的大型強子對撞機,簡稱:LHC

在2010年,兩個探測器都檢測到了異常的數據。ATLAS在範圍為125-126GeV探測到了質量超額的事件,CMS在範圍為124GeV探測到了質量超額的事件,經過兩年的反覆檢驗,科學家確認找到了希格斯玻色子。(而之前我們也說到過,理論預測希格斯玻色子的質量是126GeV)

於是,LHC在2012年6月,對外正式宣布找到了希格斯玻色子。

隨後,提出希格斯機制相關的兩位科學家恩格勒和希格斯獲得諾貝爾物理學獎,這個頒獎速度在諾獎歷史上都是極為罕見的,足以見得預言並找到希格斯玻色子的重要性。

而希格斯玻色子實際上還被人戲稱為:上帝粒子。它是粒子物理標準模型的最後一塊拼圖,

正是它的存在,使得粒子們可以獲得質量,當然也有例外,傳遞電磁相互作用的光子和束縛夸克的膠子實際上是不和希格斯場發生作用的,所以它們的靜止質量是0。而夸克和各類輕子的質量都是來自於希格斯場。

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