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寻找上帝粒子--希格斯玻色子

2012-07-04
上帝粒子,希格斯玻色,超对称性理论,标准模型,粒子物理学,基本粒子
寻找上帝粒子--希格斯玻色子
上帝粒子或发现将颠覆现有物理学体系(图)
2012年07月04日新浪科技
CMS实验的巨大探测器,是欧洲大型强子对撞机找到希格斯-玻色子的主要设备之一。
CMS实验的模拟粒子对撞项目或许可以表明超对称性理论的成立
  新浪科技讯 北京时间7月3日消息,据国外媒体报道,欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机项目物理学家近日声称,他们已经在实验中发现了传说中的“上帝粒子”希格斯-玻色子的踪迹。物理学家认为,这一重大发现很有可能会颠覆当前物理学家的看法。

  如果这一在物理学博客中所盛传的说法如实的话,那么近二十年来物理学最重要的时刻即将在几天后来临。科学家苦苦寻找了多年的希格斯-玻色子的存在证据有可能在7月4日被正式宣布,这一发现将为粒子物理标准模型拼图放上最关键的一块,数以千计的科学家为这一辉煌的成就奉献了自己几十年的光阴。随着这一辉煌时刻的来临,新的问题又出现了。希格斯-玻色子现在看起来好像有点太过于平凡了,似乎配不上它“上帝粒子”的称号。

  欧洲大型强子对撞机项目物理学家已经做好了准备向世界展现他们捕捉希格斯-玻色子的最新进展。希格斯-玻色子是一种奇特的粒子,它存在于空间的任何一点,和其他所有的基本粒子相互作用,并且将自己的质量赋予它们。但是很多物理学家已经做好了失望的准备。因为科学家们已经对这个粒子的到来翘首渴望了太久,他们以为当他们最终找到这种粒子的时候,它可以表现出一些意料之外的特性,即使是一些反常甚至不守规矩的性质。一个完美展现其特性的希格斯-玻色子并没有给兴奋的物理学家太多想象空间,包括那些理论学者所预想会出现在大型强子对撞机中的一些情况。

  当前的现状已经开始让一些物理学家感到担忧了,如果接下来的几年还没有一些令人感兴趣的研究成果出现的话,那这个领域的研究就会陷入危机了。从20世纪中期开始,粒子物理学家建立了一套被称为标准模型的理论,这一套理论对所有的宇宙中的亚原子粒子都适用。但是这一套理论还远远称不上完美,它还有着相当的缺陷。比如在之前,理论中的数字都没得到试验的检验。因此标准模型依然还有很多问题亟待解决。

  许许多多的竞争者们相继开始对标准模型进行研究并试图完善之,但是其中最令人满意的莫过于被称为超对称性的理论。为了完善标准模型,超对称性理论假设所有已知的粒子都有一个更加巨大的超对称粒子潜伏于亚原子世界中。康奈尔大学理论物理学家恰巴-萨奇说,“对于粒子物理学家来说,对称性越强,这个理论越成立。所以绝大多数粒子物理学家都对超对称性理论一见钟情。”

  但是最具戏剧性的部分是,欧洲大型强子对撞机不仅仅用来寻找希格斯-玻色子,它同时还用来寻找这些超对称性的超伴子。但是到目前为止,科学家们一无所获。而且,一切迹象表明科学家们应该可以找到重为125千兆电子伏,或者说125倍于质子的希格斯-玻色子,而且标准模型理确实预测到了这种粒子的存在。这对历经坎坷的标准模型来说是一个极好的消息,但是对于它的救星理论、超对称性理论来说却不是什么好消息。

  超对称性理论于20世纪60年代被首次提出,而且在粒子物理学的全盛时期,20世纪70到80年代得到了真正的发展。在那个时期,大型粒子加速器能将亚原子粒子碰撞粉碎后发现一些新的东西,包括夸克和W及Z玻色子。超对称性理论得到了长足的发展,但是模型中所预言的粒子却迟迟没有出现。

  在2010年,欧洲大型强子对撞机运行之前,许多物理学家都对它能够为超对称性理论找到一些新的证据充满期待。除开一些令人期许的结果,实验的结果让科学家的期待又一次落空。这让一些科学家开始怀疑,他们所钟爱的超对称性理论是不是真的是一个可靠的理论。

  大型强子对撞机两项主要实验之一研究人员、粒子物理学家托马索-多里戈说,“它是一个漂亮的理论,如果它被证明是可靠的理论的话,我会很爱它的。但是到目前为止还没有足够的证据。在过去的20年里,人们都宣称,距离超对称性理论被完全证实不远了。”即使在过去的许多年内这些研究都没有任何结果,但是科学家们依然在为理论中的粒子不出现而做着各种各样的解释与说明。萨奇说,“可是,超对称性理论的最简单的版本已经被推翻了,希格斯-玻色子的出现让很多科学家开始紧张起来。调整这个理论来解释为什么超伴子始终没有出现的行为已经让超对称性理论的美丽开始凋零。”例如,超对称性理论最美的一个方面称,额外的亚原子粒子会产生完美的暗物质候选者。改变超对称性可以摆脱这些潜在的暗物质粒子,并且更大的改变会让这个理论变得没那么有用。

  萨奇表示,“总有一天我们会好好审视,这个理论到底还是不是我们钟爱的那一个。”当然,一切还未结束。大型强子对撞机依旧在进行粒子对撞,而且在接下来的几年,粒子对撞工作会在更大的能量强度下进行,也许到时候实验结果会将超对称性理论带向光明。2013年加速器会被关闭进行检修,2014年和2015年,对撞机会在其最大容量下进行作业。

  许多物理学家都急切地希望看到到底预测中最轻的超对称粒子也被称为超对称性夸克会不会出现。超对称性夸克是超对称性理论的核心部分,它需要用来解释很多希格斯-玻色子的性质。如果它不出现,很多物理学家都将会彻底放弃这个理论。

  萨奇说,“如果在两年后大型强子对撞机依然没有带来任何想要的结果的话,我们最好换一种思路来看待这个事情了。现在我们就像处于某种危机之下一样。”

  虽然目前的情况是看上去挺麻烦,但是这并不会对物理学的发展造成什么障碍。标准模型依然存在漏洞,而且我们依然需要一些适用于宇宙中暗物质和能量的理论。有的实验结果需要额外的作用力,或者粒子之间新的互相作用,对于希格斯-玻色子来说它本身也需要更加简单的形成方式。密西西比大学粒子物理学家拉马特-拉马特表示,“然而各种理论在成为自然的基本模型之前都有自身的问题亟待解决。”

  到目前为止,超对称性理论依然领跑,而且大多数物理学家对其依然抱有较为乐观的态度。萨奇说,“我比较相信,在发现希格斯-玻色子之后,我们还会在不久的将来发现更多别的东西。”(彬彬)

“上帝粒子” 意义何在
2012年07月04日 今日早报
背景资料

什么是“上帝粒子” 找它意义何在

美国能源部下属的费米国家加速器实验室2日宣布,该实验室最新数据“强烈表明”被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在,不过这些数据只是接近证明它的 存在。有专家称,如果真能找到希格斯玻色子存在的直接证据,有关发现将获得诺贝尔奖。那么,到底什么是希格斯玻色子,寻找它的意义何在?

经过长期研究和探索,科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论,它把基本粒子分成3大类:夸克、轻子与玻色子。“标准模型”预言了62种基本粒子的存在,希格斯玻色子是最后一种未被证明存在的基本粒子,由于它难以寻觅又极为重要,因此也被称为“上帝粒子”。

英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在,并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源,是电子和夸克等形成质量的基 础。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受其作用而产生惯性,最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用,统一于 “标准模型”之下,构筑成大千世界。

由于希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子,对完善粒子物理学理论“大厦”有重要意义。一旦它被证伪,“标准模型”理论“大厦将倾”。科学界相信它的存在并认为发现它只是时间问题。

长期以来,物理学家借助高能加速器和大型强子对撞机试图揭开它的“面纱”。2011年12月,欧洲核子研究中心宣布,从强子对撞机的数据中发现了希格斯 玻色子存在的迹象。此次美国费米国家加速器实验室也宣称接近证实“上帝粒子”的存在,寻找“上帝粒子”的进程似乎渐入高潮。一些科学家认为,寻找希格斯玻 色子的范围已经大大缩小,今年可能见分晓。         据新华社


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