【2013诺贝尔奖】物理学奖深度解读:希格斯粒子,赋予其他所有粒子以质量

来源:果壳网| tzb 发表于 2013.10.14| 点击数6881

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter W. Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们预测了希格斯机制。

2013年诺贝尔物理学奖,颁给了弗朗索瓦·恩格勒(上)和彼得·希格斯(下),以表彰他们在发展赋予基本粒子以质量的希格斯机制方面所做的贡献。图片来源:news.com.au

如果把物质分割得越来越小,会发生什么?

最终,你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。

到了这一步,你就已经抵达了标准模型(我们当前的粒子物理学理论)之中,我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质,到了这个地步,你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。

夸克事实上还可以分成6种:构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克,另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族,即轻子:包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子,以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子,被统称为“费米子”,都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。

如此简洁的基本粒子组合,与实验事实完美吻合,但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性,被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同粒子的质量各不相同,从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克,跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方,为什么又如此千差万别呢?

破缺的对称

在标准模型之中,构成物质的费米子通过作用力发生相互作用,而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例,是它使得原子能够形成,驱动电流在我们的电器中奔腾,而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡:电子(携带1个负电荷)感受到的电磁力,就要强于夸克(携带-⅓或者+⅔个电荷)。不带电荷的中微子,根本感受不到电磁力。

夸克还拥有各自的“色荷”,被称为胶子的粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多,但奇怪的是,胶子本身也携带色荷,因而会彼此粘黏在一起。于是,我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游,只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。

至于标准模型中的第三种作用力,弱核力的强度相当弱,但如果没有它,驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱,大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。在通常条件下,如果可以的话,物质粒子更愿意交换没有质量的光子来发生相互作用。

在极高的能量下,比如在宇宙诞生的最初一瞬间,或者粒子加速器的对撞当中,这些差异就消失了。电磁力和弱核力,在日常生活中相差如此之巨的两种作用力,变成了统一的“弱电力”。

弱电力分裂成电磁力和弱核力的过程,被称为弱电对称破缺,必定发生在宇宙早期的某一时刻。不管是什么导致了这一过程的发生,它与质量之谜都有着明显的关联。毕竟,通过这一机制,W玻色子和Z玻色子获得了质量。希格斯玻色子最初就是提出来解释这个对称为什么会破缺的。

概念的诞生

对称破缺并不仅限于奇异的作用力。日常生活中我们都会遇到一个例子,那就是液体冷却后变成固体。对于液体来说,从所有方向上看过去,它都是一样的。而对于固体来说,沿着不同的轴向看过去,它的样子会有明显的区别。在这个过程中,前面这种广义上的对称状态被后面这种不太对称的状态取代了。

上世纪60年代,粒子理论学家开始研究,能不能发展出一些工具来描述这种对称破缺,以便应用于不断冷却的宇宙。这绝非易事。固体或液体之中分子的相互作用,可以通过一套固定的参照坐标系来定义,然而由于爱因斯坦的广义相对论,在宇宙之中你找不到这样一个标准的参照系。

1964年,比利时理论学家罗伯特·布绕特(Robert Brout)和弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)提出了量子场方程,这种场能够弥漫于整个宇宙,在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)提出了同样的方程,并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。同年稍晚些时候,杰拉德·古拉尼(Gerald Guralnik)、卡尔·哈庚(Carl Hagen)和汤姆·基博尔(Tom Kibble)将这些概念整合成了一种更为现实的理论——这就是标准模型的前身。

共有6位科学家在希格斯机制的发展过程中做出过贡献,从左到右分别是:弗朗索瓦·恩格勒、卡尔·哈庚、杰拉德·古拉尼、彼得·希格斯、汤姆·基博尔和罗伯特·布绕特(已故)。图片来源:《新科学家》

后来被称为希格斯场的这个东西,它的中心思想就在于:即使处于最低能的状态,空间也绝非空无一物。在空间中穿行的粒子或多或少会与这个场发生作用,这种作用使粒子在运动时产生了一种“粘黏”的特性,也就是质量。W玻色子和Z玻色子通过与这个场的某种相互作用获得了它们的质量,费米子则通过另外一种相互作用获得了质量。由于希格斯场不携带净的电荷或者色荷,光子和胶子根本不与它发生作用,因此仍然没有质量。

这是个漂亮的花招。为了找出还有没有更多的东西,我们需要曝光希格斯场,方法就是让它产生涟漪,而那些涟漪会被我们看成为希格斯玻色子。理论和实验的发展让我们对所需的能量有了一个很好的估计:希格斯玻色子的质量必定介于大约100 GeV到400 GeV之间。我们需要找一个相当巨大的机器才行。

新粒子现身

希格斯玻色子是短命的粒子,几乎会在一瞬间就衰变成其他粒子。为了推断出它的存在,我们必须测量这些衰变产物,寻找它们是从一个希格斯粒子衰变而来的证据。

幸运的是,标准模型预言出了我们需要知道的、有关希格斯玻色子的一切——除了它确切的质量。对于每一个可能的质量,我们能够预言大型强子对撞机(LHC)中能够产生的希格斯粒子的数量,并且预言它们会衰变成什么。

例如,希格斯粒子有时应该会衰变成一对高能光子。由于粒子衰变时动量守恒,这两个光子的动量就可以换算为产生这两个光子的粒子的质量。许多现象都会产生一对光子,但如果我们专注于那些看上去像是希格斯玻色子产生的光子,然后把它们的动量绘制在一张图表上的话,在对应于特定质量的动量数值上就会出现一个“鼓包”——某种未知的粒子就会以这样的形式显现出来。ATLAS和CMS都在质量相当于大约125 GeV的位置上看到了这样的鼓包。2012年7月4日,他们向全世界宣布了这一结果。

观测到的这个“鼓包”表明,在质量大约为125 GeV的地方,存在一种新的粒子。图片来源:《新科学家》

这并不是唯一的证据。希格斯玻色子还应该会衰变成两个Z玻色子,然后再进一步衰变成两个轻子。把这些轻子的动量加在一起,在光子数据中相当于同样质量的位置上,也产生出了一个峰值。W玻色子也提供了它们的证据。这些粒子衰变成为中微子,后者还没有被检测到,因此在这个实验中还没有出现明确的质量鼓包。相反,我们只看到了更多的W玻色子衰变,数量比希格斯玻色子不存在的情况要多。

总而言之,这些证据刚好足够达到宣称发现的“5σ”黄金标准,表明这一发现大概只有1/3500000的可能性是随机统计噪声所造成的假象。在那之后,对于那里真的存在一个粒子,我们的确定性还在进一步增长。不过,我们还必须进行更多的实验,才能确定它是不是我们所认为的希格斯玻色子。

ATLAS和CMS

当两个质子在大型强子对撞机的ATLAS和CMS探测器的核心对撞时,它们会分解成构成质子的夸克和胶子,进而衰变成朝各个方向四散奔逃的大量粒子。这些探测器的任务就是测量或者分辨这些碰撞产物。

每个探测器都由一系列同心环构成。距离碰撞点最近的同心环由半导体构成。如果带电粒子穿透这层半导体,被松散约束在这种材料的原子之中的电子就会被释放出来,形成特定的电流,让科学家能够精确测量这些粒子的穿行路线。探测器周边的磁场会弯曲这些带电粒子的路线,弯曲的程度表明了这些粒子的动量。

再向外一个同心环,则由填充着液态氩(ATLAS)或者钨酸铅晶体(CMS)的探测器构成。与这些探测器中密集排列的原子发生的碰撞,会让大多数粒子停滞在其中,这些粒子减速时发出的光子可以用来测量那些粒子的能量,从而鉴别它们的身份。

电子较重的“表亲”,也就是μ子,不会在这些探测器中止步,但更外一层同心环中的专用探测器会鉴别和测量它们。对于更难以捉摸的中微子,则完全没有进行测量。它们的存在是通过统计碰撞中产生的所有其他粒子的动量而推断出来的。

每次都有许多质子-质子同时发生碰撞,这些碰撞产生的粒子接近光速向外飞出,而需要仔细研究的碰撞必须尽快筛选出来,因为不到50纳秒之后,又会有另外两束质子在探测器的核心发生对撞。大型强子对撞机目前正在升级,升级完成之后,这个时间会缩短到25纳秒。如此大量的数据,会传送到世界各地被连接在一起的计算机中,经由大量计算来鉴别希格斯玻色子是否存在。

大型强子对撞机中发生的每一次质子-质子对撞,都会产生大量接近光速向外飞散的粒子。正是从这些乱麻中找出的线索,帮助CERN的物理学家发现了新的粒子。图片来源:《新科学家》

大型强子对撞机

爱因斯坦提出的最著名的一个方程,E = mc2,将能量和质量联系在了一起。后果之一便是,当大质量粒子高速对撞在一起时,释放出来的能量能够用来创造出其他的大质量粒子。瑞士日内瓦附近CERN的大型强子对撞机,已经花了两年时间,将能量高达4 TeV的质子对撞在一起。将携带这么多额外能量的两个质子对撞在一起,理论上,你能够创造出8000多个质子。

LHC位于一条27千米长的隧道之内。通常,它被描述为一个环,但实际上,它更像是一个边角有些圆的八边形。在直线段,强大的电磁场给两束相对运行的质子束注入能量,每次经过都会给它们加速。等到对撞时,它们的速度已经达到了光速的99.999999991%。

要弄弯如此高速运动的粒子束,你需要非常强大的磁铁。电阻带来的任何能量损失,都会成为运行时的短板,因此磁铁必须由超冷的超导材料制成。即使如此,它们也只能把粒子束弄弯一点点——这就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。

在八边形的4个边上,更多磁铁将质子束约束到还不到人头发丝粗细,然后让它们迎头相撞。4个大型探测器:ATLAS、CMS、LHCb和ALICE,会在各个碰撞点上记录碰撞结果。ATLAS和CMS是全功能探测器,设计用来测量到底撞出了什么东西——包括搜寻转瞬即逝的希格斯玻色子。

大型强子对撞机,位于日内瓦附近一条长达7千米的地下隧道之中。正是在那里进行的质子对撞实验,可能发现了传说中的希格斯粒子。图片来源:startswithabang.com

尚未回答的问题

标准模型是一个巨大的成功。然而,就算有了希格斯玻色子为它加冕,它也仍然是不完整的。引力在标准模型中明显缺席,而且它也无法解释暗物质——这种东西只能通过它的引力作用在天文观测中被察觉到。接下来还有一个谜题:为什么物质会比反物质多这么多,因为标准模型预言,它们的数量应该差不多是相等的。

粒子物理学的下一步,必须要解释这些谜题。比如,我们有可能在大型强子对撞机的质子碰撞中产生出暗物质粒子,或者在深埋于矿井和坑道之中的几个实验装置中避开宇宙线的干扰而搜寻暗物质粒子的踪迹。另一种途径是,我们或许可以观察空间中两个暗物质粒子湮灭而产生的高能粒子来间接地观察暗物质,比如正在国际空间站上展开实验的阿尔法磁谱仪(AMS)。

至于反物质,CERN的实验或许可以制造并且存贮它们,我们甚至在正电子发射断层扫描仪(PET)中利用它们来帮助医生诊断癌症。LHCb实验装置会检测质子-质子碰撞中产生的短命粒子的衰变,寻找反物质粒子何以如此稀少的证据。

中微子也可能会提供一些帮助。这些幽灵一般的粒子在空间中穿行时,会在3种中微子之间相互变换。在中国和韩国之间测量不同中微子混合程度的实验暗示,正反物质的失衡可能也存在于中微子当中。自然界中观察到的正反物质差异,和标准模型的预言之间存在的巨大鸿沟,或许可以借此得以弥补。

更古怪的是,中微子的质量甚至有可能根本不是通过希格斯机制获得的。因为中微子不携带任何的“荷”,它自己就是自己的反物质。果真如此的话,它的质量可能来自于它与自身的相互作用,而并非来自于它同希格斯场的相互作用。灵敏的地下实验装置正在寻找极其罕见的核衰变,那些衰变或许会告诉我们答案。

大型强子对撞机中的质子-质子对撞,能够产生出希格斯玻色子,但希格斯玻色子转瞬就会衰变成其他粒子。通过分析衰变产物,科学家能够反推出希格斯玻色子。图片来源:《新科学家》

符合标准模型吗?

如果承认已经诱捕到的就是希格斯玻色子,我们就没有任何转还的余地了——因为标准模型已经预言了关于它的所有一切。

尽管我们相当确定,新发现的粒子正如希格斯粒子那样会衰变成携带作用力的玻色子,但我们还不太确定它会不会衰变成构成物质的费米子。在更为罕见(或者说隐藏更深)的衰变中,希格斯粒子会衰变成底夸克、τ子,甚至μ子。升级之后的大型强子对撞机应该能够精确地测量这些衰变。

标准模型还对希格斯粒子应该如何与顶夸克发生相互作用给出了明确的预言。(希格斯粒子无法衰变成顶夸克,因为顶夸克太重了。)任何不同于预言的偏差,都将为新物理学提供一丝迹象。

最让人捉急的问题在于这个粒子的质量。在标准模型中,希格斯粒子与它自身及周围粒子的相互作用似乎暗示,它应该拥有巨大的质量。但大型强子对撞机中发现的这个粒子,质量要小得多。

对标准模型加以“微调”,让两个巨大的数字几乎(但又不完全)相互抵消,应该能够解决这个问题,使得希格斯粒子拥有较小的质量。但许多人不喜欢这种修正,认为这样的修正让理论变得有点不自然了。

一个受人欢迎的提议能够解决这个问题,那就是超对称。这种理论通过费米子和玻色子之间的一种对称,扩展了标准模型。它预言了一大批新粒子,每一个玻色子都有一个费米子与它对应,反之亦然。这些新粒子之间的相互作用,能够自然而然地抵消使得希格斯粒子质量增大的那些因素。

问题在于,不论是大型强子对撞机,还是任何其他设备,目前都还没有看到任何证据表明存在这些粒子——事实上,它们没有找到任何证据支持任何超越标准模型的理论所作的预言。如果我们找到了一个希格斯粒子,却没有找到任何其他东西,或许我们就必须承认,自己生活在一个看似有点不太自然的世界之中。又或者,我们只是漏过了标准模型自身的某些细微之处。而最让人激动人心的事情莫过于,在标准模型之外还有另一层全新的宇宙结构在等待着我们去发现。

是希格斯粒子吗?

等到大型强子对撞机在2015年年初重启之时,它会以更高的频率碰撞粒子,能量则比升级前几乎翻番。如此一来,科学家便能探测新发现粒子的若干特性,检验它到底是不是给所有其他粒子赋予质量的那个粒子。

自旋便是有待探测的特性之一。希格斯玻色子之所以被归类为玻色子,是因为理论预期它的自旋应该为整数——这就使它与光子之类携带作用力的粒子被归入了同一大类。目前发现的所有玻色子,自旋都为1;而构成物质的粒子,比如夸克和电子,自旋都为半整数(比如1/2)。

但是,希格斯粒子并不是作用力的携带者。作为赋予其他所有粒子质量的一个背景场所产生的粒子,希格斯粒子必定能够与所有其他粒子发生相互作用,不管它们自旋是多少——这种情况,只有当它的自旋为0时,才有可能出现。目前的证据已经相当具有说服力,但对这种新粒子的衰变产物的角分布进行更精确的测量将告诉我们,有没有什么变故隐藏在其中。

另一个关键问题在于,新发现的粒子如何与W玻色子和Z玻色子发生相互作用。科学家认为,正是通过这些相互作用,希格斯玻色子才把弱电力分割成了电磁力和弱核力。现在,我们已经有一只脚站在了更坚实的土壤之上:新粒子衰变成W玻色子和Z玻色子的概率与标准模型预言的希格斯玻色子大致相符。进一步的测量或许会揭示它与标准模型的细微差异,也可能会揭示某些扩展模型中预言的其他希格斯玻色子。

但是,我们已经了解到了足够多的信息,把新发现的粒子称为某种希格斯玻色子,肯定是没错的。

 

编译自:《新科学家》,The Higgs Boson

转自http://www.guokr.com/article/437461/

 

 


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