迎接后上帝粒子時(shí)代

2018/9/6 10:11:57

如果某種粒子看上去很像希格斯粒子，且性質(zhì)也很接近，那么它很可能就是標(biāo)準(zhǔn)的希格斯玻色子。這是歐洲核子研究委員會（CERN）利用大型強(qiáng)子碰撞型加速裝置（LHC）得出的最新研究結(jié)果。物理學(xué)家一直在嘗試描繪于2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。到目前為止，每一項(xiàng)測試都證實(shí)這種新發(fā)現(xiàn)的粒子非常符合標(biāo)準(zhǔn)粒子物理學(xué)模型所描述的希格斯玻色子。希格斯粒子理論最早于1964年由Robert Brout、Francois Englert和Peter Higgs 3人共同提出，除了Brout于2011年逝世失去領(lǐng)獎(jiǎng)資格外，另外兩人都于2013年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

　　事實(shí)上，科學(xué)家一直在迫切地探尋該理論的偏差，因?yàn)檫@可能會將物理學(xué)帶入一個(gè)新階段。例如，如果希格斯玻色子衰變的速度與模型所預(yù)期的速度存在細(xì)微不同，那么這意味著還有另一種全新的未知粒子參與到衰變過程中。不過，最新研究結(jié)果并沒有找到有未知粒子參與到衰變過程的證據(jù)。

　　下一階段，具備更高能量的LHC將于2015年早期投入使用，為科學(xué)家提供更多的研究機(jī)會。通過LHC，科學(xué)家或許能建立新的物理學(xué)理論，從而更全面地解釋整個(gè)宇宙。美國萊斯大學(xué)物理學(xué)家Paul Padley負(fù)責(zé)LHC的緊湊緲子線圈（CMS）實(shí)驗(yàn)，他說：“希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)并不是結(jié)束，而是新研究的開始。我們接下來10年的工作就是詳細(xì)研究希格斯玻色子。”

　　物理學(xué)家剛開始利用LHC研究希格斯粒子時(shí)，主要是通過它衰變成為其他玻色子的過程加以鑒別。希格斯粒子能衰變成為規(guī)范玻色子，后者是攜帶能量的粒子，例如攜帶電磁力的光子；希格斯粒子還能衰變成W玻色子和Z玻色子，它們攜帶有弱作用力。現(xiàn)在，CMS的研究者在《自然—物理學(xué)》上報(bào)告稱發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子衰變成為費(fèi)密子的證據(jù)，后者為一類粒子，例如電子和夸克，原子便由它們組成。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測希格斯粒子會衰變成為費(fèi)密子，但卻沒有事先就對此作出定論。

　　科學(xué)家認(rèn)為希格斯玻色子與不可見的遍布全宇宙的希格斯場有關(guān)，粒子在希格斯場中運(yùn)動(dòng)，與希格斯場相互作用從而獲得質(zhì)量。最初發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子能夠衰變成為其他類型的玻色子證明了希格斯場能與玻色子相互作用。現(xiàn)在，最新研究則證明希格斯場也能與費(fèi)密子相互作用。該發(fā)現(xiàn)證明了一個(gè)科學(xué)設(shè)想，科學(xué)家可以用一種單一的標(biāo)準(zhǔn)希格斯玻色子模型解釋所有粒子獲得質(zhì)量的方式。但還有一些假設(shè)認(rèn)為，希格斯玻色子不僅只有一種，希格斯場也不是只有一個(gè)，每一種希格斯玻色子和希格斯場都與一些特定的粒子相互作用，給予粒子質(zhì)量。

　　匹茲堡大學(xué)理論物理學(xué)家Ayres Freitas說：“最新發(fā)現(xiàn)并沒有排除存在其他希格斯玻色子的可能性，但它有力證明標(biāo)準(zhǔn)模型需要作出調(diào)整。此外，也可能全宇宙只存在兩種希格斯玻色子，大多數(shù)情況下它們‘通力協(xié)作’，共同給予粒子質(zhì)量。”

　　LHC下一階段的研究將為物理學(xué)家提供更多數(shù)據(jù)，他們也許能證明或者排除存在多種希格斯玻色子的可能性。就目前來說，物理學(xué)家還不確定希格斯玻色子衰變成為費(fèi)密子的速度。此外，他們對于希格斯場與費(fèi)密子相互作用的強(qiáng)烈程度也所知甚少。Freitas說：“這種相互作用的強(qiáng)烈程度可能與標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)計(jì)的程度有出入，這種偏差可能就是第二種希格斯玻色子存在的線索。”如果其他種類的希格斯玻色子確實(shí)存在，具備高能量的LHC或許有能力將它們描繪出來。

　　當(dāng)LHC初次投入使用時(shí)，它所能輸出的最大能量為8兆電子伏特，升級后，其所能輸出的最大能量可達(dá)13兆電子伏特——這得益于超導(dǎo)磁體技術(shù)的改進(jìn)，使加速器長度達(dá)到27公里，在地下圍成一個(gè)圓環(huán)。更強(qiáng)大的磁場促使質(zhì)子以更快速度進(jìn)入加速器圓環(huán)內(nèi)，確保當(dāng)它們對撞爆炸時(shí)能產(chǎn)生更強(qiáng)磁力。升級后的LHC還將這些對撞的質(zhì)子束縛得更緊密，讓光束更密集——物理學(xué)上將之稱為“亮度”更大，這樣能促使質(zhì)子對撞得更猛烈。總而言之，物理學(xué)家希望下一階段LHC轉(zhuǎn)化的希格斯玻色子的數(shù)量是原先未升級時(shí)轉(zhuǎn)化數(shù)量的300倍。

　　Freitas說：“更高的轉(zhuǎn)化率意味著物理學(xué)家能更準(zhǔn)確地衡量希格斯玻色子的性質(zhì)。例如，新研究數(shù)據(jù)能揭示希格斯場與多種粒子相互作用的強(qiáng)烈程度，例如玻色子和費(fèi)密子，這一速度或許是原先預(yù)想的2倍甚至3倍。升級后的LHC為我們提供了機(jī)會去發(fā)現(xiàn)原先發(fā)現(xiàn)不了的東西，不過我們對這些未知事物的性質(zhì)一無所知。”

　　標(biāo)準(zhǔn)模型沒有將粒子的超對稱性涵蓋在內(nèi)，該理論認(rèn)為它是每一種已知粒子的基礎(chǔ)特性，即每一種費(fèi)密子都應(yīng)當(dāng)有一種玻色子與其對應(yīng)。一旦該理論成立，這將為物理學(xué)打開一片新天地。到目前為止，還沒有研究能證實(shí)這種超對稱性存在，但升級后的LHC本身就能創(chuàng)造出這種超對稱性粒子。就算LHC沒能做到這點(diǎn)，它也能以微妙的方式證明該性質(zhì)的存在。例如，當(dāng)希格斯玻色子衰變成為各種粒子時(shí)，這些與之對稱的粒子可能會以量子“幻影”的模式呈現(xiàn)——時(shí)而出現(xiàn)時(shí)而消失。如果科學(xué)家能更準(zhǔn)確地衡量希格斯玻色子的衰變速度，他們將更容易證實(shí)這種超對稱性是否存在。

　　Padley說：“一些科學(xué)研究的真諦不在于什么重量級的新發(fā)現(xiàn)，而在于糾正那些我們原本存在認(rèn)知偏差的理念。”

　　標(biāo)準(zhǔn)模型也沒有考慮到暗物質(zhì)的存在。科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是一種不可見的粒子，它不與普通粒子相互作用，不過暗物質(zhì)是整個(gè)宇宙質(zhì)量的最大組成部分。費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室CMS研究者、伊利諾伊大學(xué)的Richard Cavanaugh說：“希格斯玻色子與其他粒子相互作用給予后者質(zhì)量，因此希格斯玻色子也許能與暗物質(zhì)粒子相互作用。”如果希格斯粒子真的能衰變成為暗物質(zhì)粒子，它們將在研究者毫不知情的情況下脫離出LHC。盡管研究者無法直接探測到它們，但暗物質(zhì)粒子的脫離會體現(xiàn)在剩余粒子的減少上，這種減少能從側(cè)面證明暗物質(zhì)粒子的存在。

　　歸根結(jié)底，沒有人知道LHC將會帶來什么，但科學(xué)家非常期待各種未知的可能性。Cavanaugh說：“此時(shí)此刻，覺得能成為一名物理學(xué)家真的是太美好了，一想到我的工作，每天早上我都會笑醒。