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上帝粒子是怎樣誕生的?

 三教九流369等 2013-10-10

2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉 兩位上帝粒子預(yù)測(cè)者獲獎(jiǎng)

海王星沖日

1964年希格斯和·恩格勒特奠定上帝粒子理論基礎(chǔ)

1964年,比利時(shí)理論學(xué)家羅伯特·布繞特(已故)和弗朗索瓦·恩格勒特首先提出了量子場(chǎng)方程。同年,英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯提出了同樣的方程,并且指出這個(gè)場(chǎng)中的漣漪會(huì)表現(xiàn)為一種新的粒子——希格斯玻色子。而隨后另一組研究者將這些概念整合成了一種更為現(xiàn)實(shí)的理論。這個(gè)被假定為一種遍布于宇宙的量子場(chǎng),后來(lái)稱為希格斯場(chǎng)。[詳細(xì)]

1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者利昂·萊德曼提出“上帝粒子”概念
W玻色子和Z玻色子在與希格斯場(chǎng)的某種相互作用獲得了它們的質(zhì)量,費(fèi)米子則通過(guò)另外一種相互作用獲得了質(zhì)量。而遵照量子場(chǎng)論,每一種量子場(chǎng)都有其特定的演化方式,其能量呈一團(tuán)團(tuán)的,集中在一起,這些能量團(tuán)可以詮釋為對(duì)應(yīng)于這量子場(chǎng)的粒子。譬如說(shuō),電磁場(chǎng)的能量團(tuán)稱為光子,希格斯場(chǎng)的能量團(tuán),就稱為希格斯玻色子。

自然界中物體之間的相互作用力可以劃分為4種,即引力(重力)、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論解決了重力問(wèn)題之后,理論物理學(xué)家開始嘗試建立統(tǒng)一的模型,以期解釋通過(guò)后3種力相互作用的所有粒子。上世紀(jì)60年代,物理學(xué)家們構(gòu)造了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型,來(lái)描述所有這些基本粒子及各種力出現(xiàn)的機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)模型中引入了英國(guó)物理學(xué)家希格斯提出的一種機(jī)制:空間中充滿著希格斯粒子,物質(zhì)本身無(wú)所謂質(zhì)量,質(zhì)量是物質(zhì)與希格斯粒子的相互作用。

該模型把基本粒子分為夸克、輕子和玻色子3大類,預(yù)言了62種基本粒子的存在若該粒子出現(xiàn),物質(zhì)質(zhì)量起源之謎也將會(huì)揭開;若該粒子不存在,理論上只能要求所有粒子無(wú)一例外地必須完全沒(méi)有質(zhì)量,這無(wú)疑與現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)觀察相矛盾。令人震驚之處就是:物理學(xué)家們?nèi)粢匦略u(píng)估該論述,其意義可不只是一條理論的修改,而是一場(chǎng)顛覆。

于是希格斯玻色子,成了整個(gè)亞原子界最聞名遐邇卻最令人迷惑的小東西,長(zhǎng)期以來(lái)其蹤跡占據(jù)著整個(gè)粒子物理學(xué)界的研究中心。它的標(biāo)準(zhǔn)含義是“粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子”,它的身份描述兩個(gè)字就可以:神秘——用今天的話來(lái)說(shuō),叫不明覺(jué)厲。

鑒于該粒子惱人的特性,1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者利昂·萊德曼在一本科普著作中將其稱為“該死的粒子”(Goddamn particle)。后來(lái)出版商覺(jué)得不妥,于是簡(jiǎn)化為“God particle”,就是今天著名的說(shuō)法:“上帝粒子?!?nbsp;[詳細(xì)]

2012年7月4日,歐洲原子中心(CERN)宣布發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”
2012年7月4日下午,LHC的實(shí)驗(yàn)裝置之一、CMS(緊湊繆子線圈)項(xiàng)目發(fā)言人首先發(fā)布,他們以4.9西格瑪(sigma)的水平,在125.3GeV(±0.6GeV)質(zhì)量范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)新粒子。緊隨其后,LHC另一實(shí)驗(yàn)裝置ATLAS(超導(dǎo)環(huán)場(chǎng)探測(cè)器)發(fā)言人稱,他們觀察到的數(shù)據(jù)明確標(biāo)志著一種新的粒子,確定性水平可達(dá)5西格瑪,質(zhì)量約在126GeV附近。隨后CERN科學(xué)家確認(rèn)這個(gè)粒子就是“上帝粒子”。

希格斯玻色子其實(shí)無(wú)法直接觀測(cè)到,但可以通過(guò)觀測(cè)到某種粒子衰變之后產(chǎn)生的光子等其他粒子,反推這些光子會(huì)不會(huì)是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中粒子碰撞產(chǎn)生的希格斯玻色子衰變出來(lái)的。而西格瑪作為統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)用來(lái)表示標(biāo)準(zhǔn)偏差,在粒子物理學(xué)領(lǐng)域,擁有5西格瑪水平的確定性(其在統(tǒng)計(jì)學(xué)上為“真”的比率是99.999%)才能算一項(xiàng)真正意義上的物理發(fā)現(xiàn)。

因而針對(duì)此次結(jié)果,歐核中心主任霍伊爾在媒體發(fā)布會(huì)上將其稱之為一次“發(fā)現(xiàn)”,并將其描述為“發(fā)現(xiàn)了一種和希格斯玻色子的性質(zhì)非常相符合的粒子”。他認(rèn)為這是人們“理解自然的一個(gè)里程碑”,并補(bǔ)充道,以一個(gè)外行人的角度來(lái)說(shuō),他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它(希格斯玻色子)了;但從一個(gè)內(nèi)行的角度來(lái)說(shuō),尚需要更多的數(shù)據(jù)。

而今一年多時(shí)間過(guò)去,有人依然對(duì)新粒子持懷疑及否定態(tài)度;有人開始操心起物理學(xué)的未來(lái)命運(yùn)。但在CERN那邊,支持這種亞原子粒子存在的證據(jù)仍不斷增加中。 CERN的物理學(xué)家們已分析了鋪天蓋地的信息,數(shù)據(jù)總量是發(fā)現(xiàn)那時(shí)的2.5倍。今年3月,團(tuán)隊(duì)已對(duì)外宣布,新粒子至少有兩點(diǎn)“希格斯特征”:一是自旋為零;二是處于低能正宇稱態(tài)。其數(shù)據(jù)中不符合期望的值,不久后被判斷為不具有影響整體結(jié)果的意義,其他的表現(xiàn)都恰如預(yù)期,讓人越看越覺(jué)得,“它”就是一直所企盼的結(jié)果。 [詳細(xì)]

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