希格斯玻色子

1、希格斯說希格斯玻色子將很快被發(fā)現(xiàn)據(jù)新華社日內(nèi)瓦2008年4月12日電在40多年前預(yù)言了希格斯玻色子存在的英國物理學(xué)家彼得·希格斯，日前在參觀歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）時對媒體說：“幾乎可以確定，很快就可以發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子?！毕８袼共Ｉ颖徽J為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，它是“標準模型”這一粒子物理學(xué)理論中最后一種未被證實的粒子，但是它的存在卻是整個“標準模型”的基石。 因此，它被稱為粒子物理學(xué)的“圣杯”，也被稱為“上帝粒子”，充滿了神秘色彩。自從希格斯預(yù)言這一粒子存在以來，科學(xué)家們就一直試圖在實驗中發(fā)現(xiàn)該粒子從而證實其存在，但至今所有努力均告失敗。于2003年開始興建的歐洲大型

2、強子對撞機位于法國和瑞士邊境地區(qū)地下100米深、約27公里長的環(huán)形隧道中，耗資總計約20億美元，預(yù)計將于今年6月正式開始運行。屆時，它將憑借能使單束粒子流能量達到7萬億電子伏特而成為世界上能級最高的對撞機?？茖W(xué)家普遍期望在這一對撞機的幫助下，能夠在前所未有的對撞能量下取得包括發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子在內(nèi)的新發(fā)現(xiàn)。不過希格斯認為，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子未必一定需要大型強子對撞機的幫助。他說，迄今已運行多年的美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）可能已經(jīng)獲得了希格斯玻色子存在的數(shù)據(jù)，“這是可能的希格斯玻色子的身影可能已存在于他們獲得的數(shù)據(jù)中了，只是還沒有從數(shù)據(jù)分析中找到而已”。新聞資料粒子物理學(xué)

3、的“圣杯”希格斯玻色子人們早已發(fā)現(xiàn)，自然界中物體之間千差萬別的相互作用，可以簡單劃分為4種力：即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產(chǎn)生放射衰變的弱作用力。在愛因斯坦的相對論解決了重力問題后，人們開始嘗試建立一個統(tǒng)一的模型，以期解釋通過后3種力相互作用的所有粒子。經(jīng)過長期研究和探索，科學(xué)家們建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學(xué)理論，它把基本粒子（構(gòu)成物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu)）分成3大類：夸克、輕子與玻色子。“標準模型”的出現(xiàn)，使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”。但是這一“家園”有個致命缺陷，那就是該模型無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源。為了修補上述理論大廈的缺陷，英國科學(xué)家彼得·希格斯提

4、出了希格斯場的存在，并進而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。爾后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于“標準模型”之下，構(gòu)筑成大千世界?！皹藴誓Ｐ汀鳖A(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實驗所證實，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。因此，尋找該粒子，被比喻為尋找粒子物理學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。尋找上帝粒子Higgs boson一、Higgs boson的前世今身從上世紀初的興起和繁盛，粒子物理學(xué)在50年代經(jīng)歷了一個短暫

5、的困難時期，幾乎當時已經(jīng)應(yīng)用的理論都遇到了很大的問題，這些困惑激勵著物理學(xué)家們給出新的解答，從60年代開始，基于楊-米爾斯的非阿貝爾規(guī)范場理論，逐步構(gòu)建完成了現(xiàn)代的標準模型理論（the Standard Model Theory）。今天，標準模型早已成為粒子物理學(xué)的主流理論，它的很多預(yù)言不斷為一個又一個激動人心的實驗成果所證實。標準模型是一套描述強作用力（the strong nuclear force）、弱作用力(the weak nuclear force)及電磁力(the electrom

6、agnetic force)這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它屬于量子場論的范疇，但是沒有描述重力。      標準模型包含費米子及玻色子兩類-費米子為擁有半整數(shù)的自旋并遵守泡利不兼容原理的粒子；玻色子則擁有整數(shù)自旋而并不遵守泡利不兼容原理。簡單地說，費米子組成物質(zhì)的粒子，而玻色子負責傳遞各種作用力。電弱統(tǒng)一理論與量子色動力學(xué)在標準模型中合并為一。這些理論都基于規(guī)范場論，即把費米子跟玻色子配對起來，以描述費米子之間的力。由于每組中介玻色子的拉格朗日函數(shù)在規(guī)范變換中都不變，所以這些中介玻色子就被稱為“規(guī)范玻色子”。

7、      標準模型所包含的玻色子有：負責傳遞電磁力的光子；負責傳遞弱核力的W及Z玻色子；負責傳遞強核力的8種膠子。Higgs boson，也是一種玻色子，然而它與上述這些規(guī)范玻色子不同，Higgs boson負責引導(dǎo)規(guī)范變換中的對稱性自發(fā)破缺，是慣性質(zhì)量的來源，因此并不是規(guī)范玻色子。楊-米爾斯方法無論應(yīng)用到弱還是強相互作用中所遇到的主要障礙就是質(zhì)量問題，由于規(guī)范理論規(guī)范對稱性禁止規(guī)范玻色子帶有任何質(zhì)量，然而這一禁忌卻與實驗中的觀測不相符合，如果不能解決質(zhì)量問題，將使得整個研究失去基礎(chǔ)。一開始人們試圖通過自發(fā)對稱破

8、缺機制，即打破規(guī)范理論中對拉氏量對稱性的嚴格要求，使得物理真空中的拉氏量不再滿足這種對稱性，然而到了1962年，每一個自發(fā)對稱性破缺都被證明必定伴隨著一個無質(zhì)量無自旋粒子，這無疑也是不可能的。1964年，英國物理學(xué)家希格斯（Higgs）解決了這個問題，使得自發(fā)對稱性破缺發(fā)生時，那個無質(zhì)量無自旋粒子仍然存在，但它將變成規(guī)范粒子的螺旋性為零的分量，從而使規(guī)范粒子獲得質(zhì)量。這一方法被今天的標準模型所借鑒，標準模型通過引入基本標量場Higgs場來實現(xiàn)謂Higgs機制。通過Higgs場產(chǎn)生對稱性破缺，同時在現(xiàn)實世界留下了一個自旋為零的Higgs boson粒子。這樣我們也就明白了為何希格斯粒子

9、如此重要的原因，可以說它是整個標準模型的基石，如果希格斯粒子不存在，將使整個標準模型失去效力。而LHC就是為了尋找Higgs是否存在而設(shè)計的，這個擁有前所未有的規(guī)模的大計劃拉開了粒子物理的新篇章，關(guān)系到Higgs的存在與否，人們異常關(guān)注它的動態(tài)。 二、踏上尋找Higgs boson的漫漫征程LHC是西歐核子研究中心（CERN）正研發(fā)致力于尋找Higgs boson的大型質(zhì)子-質(zhì)子對撞機（Large Hadron Collider ），之所以引人注目的是它的規(guī)模，位于法國與瑞士邊境交界處地下周長27公里的環(huán)形加速器，經(jīng)過20年的準備和籌

10、劃，投資數(shù)十億歐元，擁有來自世界各地的6000余位專家，共有ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS），CMS（Compact Muon Solenoid），ALICE（A Large Ion Collider Experiment ）和LHCb四個探測器單元。主要捕獲并分析碰撞后的碎片，除了Higgs，尋找超對稱粒子（sparticles）和其它可能的新物理，研究電弱對稱性破缺機制也是LHC的重要目標。從能量來看，單它的質(zhì)心系能量就達到驚人的14 TeV(

11、0;electron-volts)，并可使每秒發(fā)生數(shù)十億次的質(zhì)子對撞，這是前所未有的，目前擁有最高能量對撞的是美國費米實驗室的Tevatron加速器，使質(zhì)子-反質(zhì)子對撞能量達到2 TeV，雖然14 Tev的能量不超過14只飛行中的蚊子的能量，但當它集中在如此小的體積時就使實驗中的能量密度是驚人的，也是目前在實驗室中所能產(chǎn)生的最高的，擁有如此的優(yōu)勢，LHC的前景極為可觀，人們均把尋找Higgs的希望寄予它，然而尋找Higgs的主要希望在ATLAS和CMS兩個探測器，這兩個探測器的就是為尋找Higgs而設(shè)計，針對碰撞后的碎片進行徹底而仔細的分析，從中去捕捉Higgs存在最細微的

12、證據(jù)，當LHC開始運作時，大量的（數(shù)量級 ）質(zhì)子直接被加速到7 TeV，當質(zhì)子接近探測器時由于電磁場作用而相互集中，以提高對撞的幾率，按照如此，每次粒子束經(jīng)過時約有20個質(zhì)子碰撞，大多數(shù)只是擦過，很偶然的情況下會有兩個相對運動的質(zhì)子中的夸克對撞，對撞釋放能量之大足以產(chǎn)生大量新粒子，包括Higgs和超對稱粒子，如果它們真的存在。然而問題的復(fù)雜之處在于Higgs和超對稱粒子極不穩(wěn)定，它們瞬間即可衰變?yōu)闃藴誓Ｐ屠锏钠胀Ｗ?，所以只能從探測器所得的它們的衰變產(chǎn)物中去推斷其存在與否，由于粒子運行速度基本等于光速，粒子通過整個ATLAS探測器僅用時30 ns，而緊接著另一批由

13、于碰撞而產(chǎn)生的粒子則在25 ns后到達，然而情況不容樂觀，每次碰撞的碎片中包含著1000多種粒子，而其中每一種粒子都必須進行分析以重新構(gòu)建最初碰撞時的情景無論是發(fā)現(xiàn)Higgs的存在還是排除Higgs存在的可能性，都是LHC的首要任務(wù)，因此ATLAS似乎就是針對尋找Higgs而設(shè)計的。只有找到Higgs的衰變產(chǎn)物才能肯定它的存在，而Higgs的衰變途徑有很多種，每種衰變類型與Higgs的質(zhì)量有關(guān)，但是Higgs的質(zhì)量依然未知，從先前實驗我們認為Higgs的質(zhì)量必須高于114 ，同時理論要求它的質(zhì)量小于1 ，如果Higgs有一個相對低的質(zhì)量（120 左右），

14、它會衰變?yōu)橐粋€底夸克和一個反夸克，不幸的是，要把它們和其他夸克區(qū)別開非常困難，一個低質(zhì)量的Higgs也會衰變成兩個光子，不過這種概率很低，一千次衰變中只發(fā)生一次。如果Higgs擁有較高的質(zhì)量（180 以上）它極可能衰變?yōu)橐粋€W boson和一個Z boson，最容易識別的方式是衰變?yōu)橐粚 boson，然后衰變?yōu)橐粚﹄娮踊蚪樽樱纱丝梢暂^為容易地得到Higgs。探測介子對于實驗至關(guān)重要，當Higgs衰變?yōu)橐粚 boson后它們分別變成一對介子。然而數(shù)據(jù)分析又是另一個挑戰(zhàn)，儲存所有的數(shù)據(jù)完全不可能，所以探測器已被設(shè)定好會自動選擇最重要的數(shù)據(jù)，大概只有0.25%的數(shù)據(jù)會被接受，巨型而功能強大的計算機會對數(shù)據(jù)進行進一步分析，將需要物理學(xué)家分析的數(shù)據(jù)減到最少，大概每秒100個事件，已經(jīng)比較容易操作。探測器預(yù)計在2007年中期建好，而CERN這個宏偉的探索計劃將持續(xù)多年，而LHC的先進性將使CERN在粒子物理方面領(lǐng)先10年。三 如果沒有Higgs boson？ 如果LHC沒有發(fā)現(xiàn)任何Higgs存在的痕跡，人們的確會很失望，但是這絕不意味著LHC是毫無意義的投資，在LHC中質(zhì)子碰撞時前所未有的巨大能量會把物理學(xué)家?guī)нM一個未知的新世界，這里有太多可供探