希格斯玻色子

希格斯玻色子

希格斯玻色子(英語:Higgs boson),別稱上帝粒子(God particle),是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子。它是標準模型中最後一種未被發現的粒子。它可以幫助解析為何其它粒子會有質量。有科學家認為,“上帝粒子”的名稱是媒體誤導讀者的誇大之詞。

2011年12月13日,歐洲核子研究中心科學家示,他們發現了希格斯玻色子存在的跡象。但經考慮實驗其它誤差之後,宣布實驗結果無效。

2012年7月4日科學家宣布發現了一個新粒子,與希格斯玻色子特征有吻合之處。

2013年3月14日,歐洲核子研究組織(European Organisation for Nuclear Research)發布新聞稿表示,先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。

2013年10月8日,諾貝爾物理學獎在瑞典揭曉,比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學家彼得·希格斯因希格斯玻色子的理論預言獲獎。

2014年6月,“上帝粒子”研究顯示“宇宙是不存在的”。

  • 中文名稱
    希格斯玻色子
  • 外文名稱
    Higgsboson
  • 別稱外號
    希格斯粒子,希格斯子,上帝粒子
  • 提出者
    彼得·希格斯(P.W.Higgs)
  • 發現過程
    通過原子對撞機將兩個質子相撞

基本簡介

希格斯玻色子是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子。它也是標準模型中最後一種未被發現的粒子。物理學家希格斯提出了希格斯機製。在此機製中,希格斯場引起自發對稱性破缺,並將質量賦予規範傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發,它通過自相互作用而獲得質量。2012年7月2日,美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布,該實驗室最新資料接近證明被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。2013年2月4日,該實驗室確認上帝粒子的存在。

希格斯玻色子-內部結構模型圖希格斯玻色子-內部結構模型圖

詮釋

標準模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統一描述,但是在能量低于一定條件後,電磁相互作用和弱相互作用將呈現為不同的相互作用,這被稱為電弱相互作用的對稱性自發破缺。希格斯粒子就是在標準模型解釋電弱對稱性自發破缺的機製時引入的。

希格斯玻色子希格斯玻色子

研究背景

1964年,英國物理學家彼得·希格斯(<em>P.W.Higgs</em>)發表了一篇學術理論文章,提出一種粒子場的存在,預言一種能吸引其他粒子進而產生質量的玻色子的存在。他認為,這種玻色子是物質的質量之源,是電子和誇克等形成質量的基礎,其他粒子在這種粒子形成的場中遊弋並產生慣性,進而形成質量,構築成大千世界。2012年7月4日,當歐洲核研究組織宣布發現一種與“上帝粒子”“一致”的亞原子粒子時,希格斯說,“難以置信”。

這種理論中的粒子後來被別人以“希格斯”的名稱命名,外號“上帝粒子”。

當其他粒子相繼被發現時,48年來,“上帝粒子”始終遁形。

希格斯提出了希格斯機製。在此機製中,希格斯場引起電弱相互作用的對稱性自發破缺,並將質量賦予規範玻色子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場 量子化激發,它通過自相互作用而獲得質量。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(<em>Large Hadron Collider</em>,簡稱LHC)將有機會發現希格斯粒子。 

希格斯玻色子被認為是物質的質量之源,“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學獎得主萊德曼對希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學家們從理論上假定存在的一種基本粒子,目前已成為整個粒子物理學界研究的中心,萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。  

希格斯玻色子希格斯玻色子

自1899年湯姆遜爵士發現電子​開始,直至如今,在一個多世紀的時間裏 ,人類一直孜孜不倦的探索著微觀世界的奧秘。1995年3月2日,美國費米實驗室向全世界宣布他們發現了頂誇克時,一套稱之為標準模型的粒子物理學模型所預言的62個基本粒子中的61個都已經得到了實驗資料的支持與驗證,看上去標準模型馬上就要獲得決定性的勝利,對物質微觀結構的探索已經到達了它的尾聲,似乎人類也馬上就要聽到這一跌宕起伏的,充滿了高潮與華彩的探索樂章的終曲,但是仍然有一個粒子,遊離在這座輝煌的大廈之外,仿佛一個幽靈,這就是希格斯粒子,而且就是這個粒子可能會擊垮整座大廈。但是也許會為我們揭示出一條全新的探索旅途。就讓我們先來回顧一下上個世紀中期以來粒子物理學的發展歷史,以及現在處于主流的標準模型理論。

研究歷史

在電弱統一理論從建立到獲得成功,其中一個關鍵的因素就是對稱自發破殘原理推測出來的希格斯玻色子,用它來解釋電弱統一理論中的W+1、W-1、Z0玻色子非零質量的獲得機製。但到如今,電弱統一理論已經獲得了諾貝爾獎從而得到大家普遍的承認,而作為電弱統一理論基礎的希格斯玻色子(X0)仍然沒有在大家的視野中揭開它神秘的面紗,這個難題一直以來都困擾著所有從事基本粒子研究的愛好者們。雖說到現在為止還沒有人發現它的蹤跡,但很多實驗表明了電弱統一理論是完全正 確的,這使得人們相信它必然存在,發現它隻是時間的問題。但是科學是一門以事實說話的學問,不是大家想當然的就能解決的問題。因此找到一種合乎自然辯證邏輯的理論是解釋現象的關鍵。

為了修補上述理論的缺陷,英國物理學家希格斯提出了希格斯場的存在,並進而預言了希格斯玻色子的存在。假設出的希格斯玻色子是物質的質量之源,是電子和誇克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的場中,受其作用而產生慣性,最終才有了質量。之後所有的粒子在除引力外的另3種力的架構中相互作用,統一于標準模型之下。標準模型預言了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後一種未被發現的基本粒子。

希格斯玻色子希格斯玻色子

香港文匯報》14日報道,歐洲核子研究中心(CERN)日前公布了來自大型強子對撞器(LHC)的重要資料,顯示“可能看到”有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子(Higgs boson)。該理論可解釋粒子為何擁有質量,從而演化為萬事萬物。人類距離了解宇宙誕生之謎或許將要邁進一大步。

CERN昨日表示,兩個團隊透過LHC看到希格斯玻色子的可能蹤跡,但是資料肯定性尚不足以被稱為“發現”,目前還需要更多的實驗和分析。其中一個團隊表示,探測到的訊息約為126千兆電子伏特左右。CERN早前已表示,不會在今年公布發現了“上帝粒子”。

研究理論

物理理論 

科學家們建立起被稱為標準模型的粒子物理學理論,它把基本粒子分成3大類:誇克、輕子與玻色子。標準模型的缺陷,就是該模型無法解釋物質質量的來源。在本質上,這個場就像一池黏黏的蜜糖,除了非質量的基本粒子,通過此場的時候,會將粒子轉變成帶有質量的粒子,就像是原子的成分。在標準模型中,希格斯粒子包含了一個中性與兩個帶電成分的區域。兩個帶電和一個中性區域皆是Goldstone玻色子,是縱向三極化分量帶質量的W+、 W–和 Z 玻色子。

維持中性成分的量子對應到具有質量的希格斯粒子。既然希格斯場是一個標量場,希格斯粒子沒有自旋,也就沒有內在的角動量。標準模型沒有預測希格斯玻色子的質量。如果質量在115和180 GeV/c2之間,則標準模型的能量等級可以有效直到普朗克尺度(1016 TeV)。

希格斯玻色子希格斯玻色子

許多理論學家預測新的物理學會建構在標準模型之上能量在TeV的尺度,基于不足的標準模型性質。希格斯粒子(或其他的電弱對稱機製)可能的最大質量是1.4 TeV;除了這一點,標準模型變的不相容,因為統一性違反了一些散射的過程。許多超對稱性的模型預測出最輕的希格斯粒子的質量比現在實驗在高一點,大約120 GeV或者更低。

9維至8維-五期希格斯玻色子的能量(eV),大小(cm)及分裂結構表 

所在時空維度:
第9維(含第8維)
的「希格斯場」
宇宙時間:
10秒至10秒
五期希格斯玻色子
單位能量(eV)及大小(cm)
時空維度本質:
能量:2.9812×102 4eV至
6.7784×1011
波長:6.62×10-30cm至
1.83×10-16cm(×2p)(註1,2)
自:普朗克(單位)能量:
1.2211×1028eV,及
普朗克(單位)長度
1.616×10cm 的
分裂次數
第9維
「希格斯場」-前期
二次大霹靂(大爆脹)
宇宙時間:
10秒-10秒
第9維
「希格斯場」-中期
宇宙時間:
10秒至10秒
第9維
「希格斯場」-後期
宇宙時間:10秒至10秒
(電,弱力統一場)
【註:10秒時,第3代:誇克
被禁閉(表2-1註:4),產生
高能量超子,第8維時空誕生】
第五期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
7.453×10eV至1.819×1020eV
2.6476×10cm至1.084×1025cm
衰變並結合為-第10,9代-誇克
第四期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
1.819×1020至4.4423×1016eV
1.084×1025cm至4.442×1022cm
衰變並結合為-第8,7代-誇克,
第三期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
4.4423×1016eV至1.0845×1013eV
4.442×1022cm至1.8194×1018cm
衰變並結合為-第6,5代-誇克,
第二期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
1.0845×1013至1.6946×1011eV
1.8194×1018cm至1.1644×1016cm
衰變並結合為-第4,3代-誇克,
第一期希格斯玻色子
希格斯玻色子:能量及大小
1.6946×1011eV;7.3165×1016cm
衰變並結合為-第2,1代-誇克,
五期希格斯玻色子存在于所有
規範粒子中,是10代誇克及
10代電子,微中子(即輕子)的
質量來源
第五期-
自普朗克能量分裂14至16次(1.22×10eV÷2至÷2)
時空維度能量:
2.9812×10eV至7.2783×1020eV
時空維度波長:
6.62×10cm至2.71×1026cm
上述能量區為:
本宇宙二次大霹靂區(大暴脹區)
第四期-
自普朗克能量分裂26至38次(1.22×10eV÷2至÷2)
時空維度能量:
7.2783×1020至1.7769×1017eV
時空維度波長:
2.71×1026至1.11×10-22cm
第三期-
自普朗克能量分裂38至50次(1.22×10eV÷2至÷2)
時空維度能量:
1.7769×1017eV至4.3382×1013eV
時空維度波長:
1.11×10-22至4.55×10-19cm
第二期-
自普朗克能量分裂50至56次(1.22×10eV÷2至÷2)
時空維度能量:
4.3382×1013至6.7784×1011eV
時空維度波長:
4.55×10-19至2.911×1017cm
第一期-
自普朗克能量分裂56次
(1.22×10eV÷2)
時空維度能量:
6.7784×1011eV至6.2619×1011eV
時空維度波長:
1.83×1016cm(×2p)至
1.98×1016cm(×2p)(表2-1註1,2)
能量較低的
第2期希格斯玻色子分裂組合成為: t’,b’,t,b誇克. 而
第2期WWZ弱玻色子
分裂為τ’電子及τ電子,
當分裂出第3代t,b誇克及τ電子時,即第8維時空的誔生
(第4代t’,b’,誇克及第4代τ’電子,因能量太高尚未發現)

方程簡式

用方程式可以簡要的表達以下這種變化:

一、誇克(K+2/3、K-2/3)、味玻色子(W+1、W-1)及電荷粒

(E+1、E-1)的生成方程

⒈H+8/3 → K+2/3 + W+1 + E+1

⒉H-8/3 → K-2/3 + W-1 + E-1

二、誇克(K-1/3、K+1/3)、味玻色子(W+1、W-1)及中微子(M 0)的生成方程

⒈V-4/3 → K-1/3 + W-1 + M 0

⒉V+4/3 → K+1/3 + W+1 + M 0

三、希格斯玻色子(X0)、引力子(G0)及味玻色子(W+1、W-1)的生成方程

⒈H+8/3 + H-8/3 → X0 + W+1 + W-1

⒉V+4/3 + V-4/3 → G0 + W+1 + W-1

四、磁單極子(C0)、膠子(J0)、光子(Y0)及不帶荷的味玻色子(Z0)的生成方程

⒈H+8/3 + H-8/3 → C0 + J0 + Z0

⒉V+4/3 + V-4/3 → Y0 + J0 + Z0模型

標準模型

粒子物理學在上個世紀50年代,經歷了一個短暫的困難時期,按照諾貝爾獎得主,電弱統一理論提出者之一的斯蒂芬·溫伯格的話來說那是“一個充滿挫折與困惑的年代”,幾乎當時已經套用的理論都遇到了很大的問題。這些困惑激勵著物理學家們給出新的解答,從60年代開始,基于楊-米爾斯的非阿貝爾規範場理論,逐步構建完成了現代的標準模型理論。今天,標準模型早已成為粒子物理學的主流理論,它的很多預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、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它屬于量子場論的範疇,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的自旋並遵守泡利不相容原理(這原理指出沒有相同的費米子能佔有同樣的量子態)的粒子;玻色子則擁有整數自旋而並不遵守泡利不相容原理。簡單地說,費米子組成物質的粒子,而玻色子負責傳遞各種作用力。電弱統一理論與量子色動力學在標準模型中合並為一。這些理論都基于規範場論,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式在規範變換中都不變,所以這些中介玻色子就被稱為“規範玻色子”。

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。

希格斯玻色子希格斯玻色子

希格斯玻色子也是一種玻色子,然而它與上述這些規範玻色子不同,希格斯粒子負責引導規範變換中的對稱性自發破缺,是慣性質量的來源,因此並不是規範玻色子。那麽為何質量問題如此重要呢?要解答這個問題,必須回到20世紀60年代理論探索的開始階段。在研究過程中,楊-米爾理論無論套用到弱還是強相互作用中所遇到的主要障礙就是質量問題,由于規範理論規範對稱性禁止規範玻色子帶有任何質量,然而這一禁忌卻與實驗中的觀測不相符合,如果不能解決質量問題,將使得整個研究失去基礎。一開始人們嘗試通過自發對稱破缺機製,即打破規範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,每一個自發對稱性破缺都被證明必定伴隨著一個無質量無自旋粒子,這無疑也是不可能的。1964年,英國物理學家希格斯(Higgs)解決了這個問題,使得自發對稱性破缺發生時,那個無質量無自旋粒子仍然存在,但它將變成規範粒子的螺旋性為零的分量,從而使規範粒子獲得質量。這一方法被今天的標準模型所借鏡,標準模型通過引入基本標量場——希格斯場來實現所謂希格斯機製。通過希格斯場產生對稱性破缺,同時在現實世界留下了一個自旋為零的希格斯粒子。

這樣我們也就明白了為何希格斯粒子如此重要的原因,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。

其他模型

美國進行的一項新的原子撞擊實驗結果顯示,所謂的“上帝粒子”實際上可能是5種截然不同的粒子。一些理論家認為希格斯玻色子並不單單指一種粒子,而是多種質量相似但所帶電荷存在差異的粒子。美國伊利諾斯州巴達維亞費米實驗室的研究人員指出,他們發現了能夠證明這種“多種粒子理論”的證據。有關“上帝粒子”的單一粒子理論就此面臨挑戰。 

在費米實驗室萬億電子伏粒子對撞機最近進行的一項名為“DZero”的實驗中,科學家發現質子和反質子相撞更多地是產生物質粒子而不是反物質粒子。研究報告聯合執筆人、費米實驗室理論物理學家亞當·馬丁表示,兩者之間相差很少,不到1%,但無法利用假定隻存在一種希格斯玻色子的標準模型加以解釋。同時他認為這種影響實際上非常小,但如果將標準模型中所有最初原則考慮在內,這種影響仍遠遠超過科學家的想象。 

標準模型假設隻存在一種希格斯粒子,無法解釋DZero實驗的結果。如果科學家假定希格斯玻色子實際上是指5種粒子——也就是對標準模型進行擴展,形成雙希格斯二重態模型——DZero實驗的結果便可以解釋。亞當·馬丁表示,在對標準模型進行擴展時,加入了新的粒子和新的互動作用。新的互動作用對物質和反物質區別對待,因此能夠促使實驗中出現更大的影響。

研究驗證

歐洲核子研究中心大型強子對撞機工作的科學家分別以兩個獨立的實驗尋找希格斯玻色子,這兩個實驗分別稱為Atlas和CMS。

歐洲核子研究中心1991年開始設計興建的歐洲大型強子對撞機位于法國和瑞士邊境地區地下100米深、約27公裏長的環形隧道中,耗資總計約100億美元,于2008年9月10日正式開始調試運行。它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。科學家普遍期望在這一對撞機的幫助下,能夠發現希格斯玻色子。不過希格斯認為,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可能已經獲得了希格斯玻色子存在的資料。

歐洲核子中心大型強子對撞機2000年,位于瑞士的歐洲核子研究中心(CERN)的工作人員通過世界上最大的正負電子對撞機LEP攫取了115GeV的希格斯粒子,但是他們當時的統計資料不足以做出任何確定的推論。2003年,物理學家嘗試通過位于美國芝加哥的費米實驗室的正負質子對撞機,讓質子與反質子相互對撞分析出希格斯粒子的運動軌跡,嘗試證實或否定CERN先前的實驗結果。但是由于先前計畫從舊實驗中回收反質子的方案並不可行,而且存在已有二十年之久的正負質子對撞機同樣也到了更換的階段,需要很長的時間來修復,因此費米實驗室的研究遇到了一定的挫折。

希格斯玻色子希格斯玻色子

2008年8月,靠近瑞士和法國邊境的歐洲核子研究中心將開始運行新的大型質子對撞機(LHC)。這架大型質子對撞機安放在位于地下175米深處,周長約為27公裏的隧道中,計畫造價約為80億美元。科學家普遍期望在這一對撞機的幫助下,能夠發現希格斯玻色子。歐洲大型強子對撞機(LargeHadronCollider 簡稱LHC)實驗結果顯示,找到了希格斯玻色子存在的證據。

2011年6月10日,費米實驗室提交給《物理評論快報》的文章內容,該實驗室的科學家Dmitri Denisov敘述:我們並沒有看到相關的信號特征,如果希格斯玻色子確實存在,根據目前的實驗程式,我們應該會從加速器的資料上讀出來,但是我們審視了全部的資料,就是沒有發現該出現的東西,也就是說,本該出現的信號消失了,這是個匪夷所思的現象。針對費米實驗室發布的資料,歐洲核研究機構的發言人詹姆斯·吉利斯(James Gilies)在瑞士的日內瓦回應說:由該機構負責運行的歐洲大型強子對撞機的粒子加速器所取得的階段性成果目前還不適宜公布,但可以肯定的是會在接下來的數周時間內進行進一步的資料解析,而費米實驗室則太早將資料的解讀分析進行發布。

2011年7月22日,用作模擬宇宙大霹靂的“末日機器”LHC,位于法國與瑞士邊境的地底,它的兩個實驗區域Atlas和CMS以接近光速對撞超過180萬億個質子,從爆炸生成的粒子碎片和量子波動中,各自發現約30個疑似上帝粒子,其質量都是約143十億電子伏特(GeV)。同時,這些對撞也排除其它上帝粒子出現的“質量範圍”。此外,位于美國芝加哥附近的Tevatron粒子加速器也傳來好訊息,它早前從對撞中發現,在142至148GeV之間出現“大量粒子”,而它們與LHC發現的粒子相似。而這一切如果屬實的話,人類或許可能改變對這個世界的認知。

2011年8月,歐洲核子研究中心表示,一些跡象表明,這種粒子也許真不存在,隻是人們的“幻想”。該機構2011年8月已經向在印度孟買召開的相關研討會提交了報告,稱通過其大型強子對撞機找到的實驗資料都對找到希格斯玻色子的蹤跡“意義不大”。與此同時,該中心許多科學家也認為“希格斯玻色子不存在”的可能性越來越大。在粒子物理學的標準模型中,總共預言了62種基本粒子,其中61種都已被驗證,唯獨希格斯玻色子始終遊離在物理學家的視野之外。找到這種粒子,就找到了建築粒子物理學經典理論大廈的最後一塊基石,如證明它不存在,整座大廈就要被推倒重建。歐洲核子研究中心研究主任塞爾希奧·貝托盧奇說:“如果希格斯玻色子真的不存在,那麽它的缺位將使人們的目光轉向‘新物理學’。” 許多世界頂級物理研究機構曾嘗試通過對撞試驗尋找希格斯玻色子,但都沒有成功。

根據 BBC 的報道,當前LHC探測希格斯玻色子的計畫于2011年10月完成,希格斯玻色子在2011年12月12日已被“階段性發現”,盡管要得到最終的官方確認還需要更多實驗資料

2011年12月13日,歐洲核子研究中心科學家示,他們發現了希格斯玻色子存在的跡象,這種碎片有時被稱為“上帝粒子”,因為它是宇宙中所有物質的質量之源。但是隨後,歐洲科研人員又表示,現有資料無法確切證實,估計可能在2012年年底得到答案。對此,一些科學家提出質疑:1.考慮其它誤差後,不能說找到了希格斯玻色子存在的證據。對歐洲實驗室13號的結果,綜合後的結論是無效的。2.就是找到後,也隻能解析為何其它粒子會有質量,而不是給物質以質量。3.有科學家認為,“上帝粒子”是媒體誤導的誇大之詞。

研究進展

部落格傳聞

台北時間2010年7月13日,幾家國外媒體報道了義大利帕多瓦大學物理學家托馬索·多裏戈日前發表的個人部落格文章。文中稱美國費米實驗室的萬億電子伏加速器(Tevatron)很可能已經發現了希格斯玻色子,即所謂的“上帝粒子”。但14日清晨,《新科學家》卻登文闢謠,幾乎同時,各媒體紛紛跟進,多裏戈亦更新博文以正視聽。一時間,卷入者各執一詞,討論版沸沸揚揚。

多裏戈的部落格名為《量子日記生還者》,其自稱是一名實驗粒子物理學家,與歐核中心(CERN)的CMS實驗小組以及美國費米國家實驗室的CDF小組有協作關系。這篇題為“有關發現希格斯粒子的傳聞”的博文早在7月9日就已掛到網上,其中那段備受爭議的文字是:“我從兩個不同的、可能是獨立的信息源打聽到,一萬億電子伏加速器實驗即將公布一些發現輕微希格斯波粒子信號的證據,一個信息源稱發現了‘三倍標準差效應’,而另一個信息源並沒有明確指出這一發現,隻是表示實驗得到了一個意外的結果。”

或許當時這段令人既興奮又疑惑的文字夾雜在篇幅龐大的資料分析中不易被人發現,直到13日經《每日電訊報》《物理學家組織網》等主流媒體或科學網站報道可能已經發現了希格斯玻色子後,才惹出大範圍的爭議。

多裏戈所謂的“三倍標準差效應”,是指一種關于結果確定性的統計資料,如果他獲得的資料屬實,從統計學上講該實驗的結果就有99.7%的可能性是發現了希格斯玻色子。通常,一個“五倍標準差效應”(正確的可能性達99.9999%)才能被認為確定性的程度已高到足以證明一個完全合理的新發現,一個“三倍標準差效應”不具有足夠確定性,但仍能意味著這是希格斯玻色子存在的一個強有力證據。這正是科學類媒體加深關註的原因。

希格斯玻色子希格斯玻色子

盡管對事件進行一手報道的幾家媒體語氣還算客觀,甚至有些模棱兩可,但經幾手轉載加工後的文章則顯得不那麽冷靜,標題做得更是鐵板釘釘,由此引發輿論與學界的軒然大波也就在所難免。一時間多裏戈的部落格幾乎被尋找各自證據的人踏破。

14日,題為《“上帝粒子已發現”之說實無根據》的文章赫然登載于英國《新科學家》網站頭條。文章稱,正在都靈參加2010年粒子物理與宇宙學國際研討會的物理學家們,對“上帝粒子被發現”的訊息十分疑惑。《物理學家組織網》也隨後查證說,多裏戈並不是希格斯玻色子研究團隊的成員。

被卷入事件的主角——費米實驗室,發布在推特(Twitter)上的言辭更是分外犀利:“這就是一為求名氣的部落格作者散布的謠言,僅此而已。”

紐約時報》卻能以相對平和的心態看待此事,其描述是:可能的確還沒達到能發現希格斯玻色子的資料規模,但如果加以證實,仍將能解開宇宙物質與反物質的反對稱性之謎。

面對強大的質疑聲浪,肇事者多裏戈再發博文,指出自己的物理分析一貫清晰詳盡,其又拿出了大量嶄新的圖表資料予以佐證。盡管與之前相比語氣審慎了許多,但他依舊聲言,關于這一主題的更多信息會在本月召開的巴黎高能物理國際會議上披露出來。

或被發現 

2011年4月26日,據國外媒體報道,據內部訊息透露,全球最大的核粒子加速器——長達17公裏的大型強子對撞機(LHC)已經發現了傳說中的“上帝粒子“——希格斯玻色子。

據悉,該傳聞來自于一份泄露的內部記錄,據說這份筆記出自于大型強子對撞機的物理學家們。不久前,一篇匿名文章公布了哥倫比亞大學數學家彼得-沃伊特(Peter Woit)部落格裏一份記錄的部分內容,隨之上述傳聞便傳開來。

對于這樣的傳聞,有些物理學家視之為惡作劇,而另一些物理學家則相信了,並且稱該發現是人類在理解宇宙運行原理之路上一個重大的粒子物理學突破。美國錫拉丘茲大學(Syracuse University)的物理學家謝爾登-斯通(Sheldon Stone)表示:“如果這個傳聞是真的,那麽這將讓人激動不已。”

根據標準模型,希格斯玻色子預計是存在的。物理學家們相信,希格斯玻色子賦予了所有其他粒子質量,在宇宙大霹靂後對宇宙的形成起著決定性作用。然而長期以來,那些相信希格斯玻色子能夠解釋為什麽物體有質量的物理學家們都無法找到希格斯玻色子。費米實驗室質子—反質子對撞機(Tevatron)以及歐洲大型強子對撞機 (LHC)等大型核粒子加速器都在不斷地尋找著希格斯玻色子和其他亞原子物質。這些加速器以極快的速度將粒子撞擊在一起,從而產生大量其他粒子。

據悉,泄露的記錄表明大型強子對撞機的ATLAS粒子探測實驗可能獲得了一個希格斯玻色子的信號,該信號與希格斯玻色子預期產生的信號保持這大部分特征的一致性,然而該信號的一些其他方面與預期並不符合。

對此,斯通稱:“它的生產速度要比在標準模型下預期的希格斯玻色子生產速度還要快。這個信號可能是一些其他粒子的存在證據。”斯通補充道:“從某種意義上說,這更有趣了,這可能是在標準模型之外的新物理現象。”斯通指出泄露的記錄並非是ATLAS研究隊伍的正式結果,所以現在就猜測該傳聞的有效性和意義有點為時過早了。“實際上在該內部合作實驗結果被核準前就對其進行公開討論是相當不合理、不科學的。所以這個‘結果’在該團隊正式公布前並非最後結果。”其他研究人員也贊成斯通的看法,認為不要對這個可能的發現太過激動,要保持耐心和警惕。加利福尼亞理工學院(Caltech)物理學家肖恩-卡羅爾(Sean Carroll)表示:“不要擔心,希格斯玻色子!我並沒有傳播有關你的那些無禮傳聞,不像那些人。”

此外,另一些研究人員已經對這個可能的發現產生了懷疑。費米實驗室(Fermilab)和歐洲粒子物理研究所(CERN)的粒子物理學家托馬索-多裏戈(Tommaso Dorigo)認為該信號是假的,進一步檢驗後就會銷聲匿跡。多裏戈指出,比如費米實驗室的科學家就未在他們的Tevatron資料中發現希格斯玻色子信號,而Tevatron實驗和ATLAS實驗原理是相似的。“我敢和那些相信在粒子物理學有著名望的人士打賭,該信號並非源于希格斯玻色子。”

加拿大粒子和核子物理國家實驗室的負責人奈傑爾-羅傑爾(Nigel Lockyer)表示:“我個人的看法是這樣的激動隻是預先為新結果和新發現火上加油而已。” 

詭異情況

歐洲大型歐洲大型強子對撞機(LargeHadronCollider 簡稱LHC)實驗結果顯示,找到了希格斯玻色子存在的證據。但是,費米國家實驗室也在進行相關研究,根據2011年6月10日費米實驗室提交給《物理評論快報》的文章內容,該實驗室的科學家Dmitri Denisov敘述:我們並沒有看到相關的信號特征,如果希格斯玻色子確實存在,根據目前的實驗程式,我們應該會從加速器的資料上讀出來,但是我們審視了全部的資料,就是沒有發現該出現的東西,也就是說,本該出現的信號消失了,這是個匪夷所思的現象。

針對費米實驗室發布的資料,歐洲核研究結構的發言人詹姆斯·吉利斯(James Gilies)在瑞士的日內瓦回應說:由該機構負責運行的歐洲大型強子對撞機的粒子加速器所取得的階段性成果目前還不適宜公布,但可以肯定的是會在接下來的數周時間內進行進一步的資料解析,而費米實驗室則太早將資料的解讀分析進行發布。

接著,吉利斯認為歐洲大型強子對撞機(LHC)的實驗成果會在今年夏天進行公布,同時也暗示說:LHC取得的資料和費米實驗室公布的資料有些不同之處,這些不同之處也使得LHC的科學家們更有信心用更加有說服力的證據證明上帝粒子是存在的。

發現蹤跡 

2011年12月13日,瑞士日內瓦,歐洲核子研究中心當天宣布發現了被稱作“上帝粒子”的希格斯玻色子的蹤跡。兩個實驗小組的負責人宣布,他們在大致相同的124-125GeV的位置,也就是相當于130倍質子質量的位置上看到了資料“峰值”。 Atlas實驗小組發言人賈諾蒂說,這也許是因為資料波動造成的,但也許是因為更為有趣的原因,現在不能排除任何可能。

一些科學家指出,盡管目前還沒有得到結論性的實驗結果,但是兩個探測器都發現了少量過量的潛在衰變粒子,這與質量超過質子130倍的希格斯玻色子的存在相符。

英國曼徹斯特大學物理學家倫博爾德教授說,希格斯玻色子是否存在的發現不大可能成為一份聖誕禮物,但是物理學家完全可能在一年之內取得這項成果。

接近證明

2012年7月2日, 美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布,該實驗室最新資料“強烈表明”被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在,不過這些資料隻是接近證明它的存在。有專家稱,如果真能找到希格斯玻色子存在的直接證據,有關發現將獲得諾貝爾獎。由于希格斯玻色子是最後一種未被發現的基本粒子,對完善粒子物理學理論“大廈”有重要意義。一旦它被證偽,“標準模型”理論“大廈將傾”。科學界相信它的存在並認為發現它隻是時間問題。

7月4日,CERN舉行專題討論會與新聞發布會宣布,CMS發現質量為125.3±0.6 GeV的新玻色子,標準差為4.9;ATLAS發現質量為126.5GeV的新玻色子標準差為4.6。物理學者認為這兩個粒子可能就是希子。CERN的所長說:“從一個外行人的角度來說,我們已經發現希子了;但從一個內行人的角度來說,我們還需要更多的資料。”一旦將其它種類的CMS相互作用納入計算,這兩個實驗達到局部顯著性差異5個標準差──錯誤概率低于百萬分之一。在新聞發布之前很長一段時間,兩個團隊彼此之間不能互通訊息,這樣才能確保每一個團隊得到的結果不會受到另一個團隊的影響而發生任何偏差,這也可以讓兩個團隊各自獨立得到的研究結果可以彼此相互核對。如此規格的證據,通過兩個被隔離團隊與實驗的獨立確定,已達到確定發現所需要的正式標準。CERN的治學態度非常嚴謹,不願意引人非議;CERN表明,新發現的粒子與希子相符,但是物理學者尚未明確地認定這粒子就是希子,仍舊需要更進一步蒐集與分析資料才能夠做定論。換句話說,從實驗觀測顯示,新發現的玻色子可能是希子,很多物理學者都認為非常可能是希子,現在已經證實有一個新粒子存在,但仍舊需要更進一步研究這粒子,必需排除這粒子或許不是希子的任何可疑之處。

2012年7月31日,CERN的CMS小組和ATLAS小組分別提交了新的偵測結果的論文,將這種疑似希格斯波色子的粒子的質量確定為CMS的125.3 GeV/c2(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.5、標準偏差:5.8)和ATLAS的126.0 GeV/c2(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.4、標準偏差:5.9)。

新證據支持

據國外媒體報道,3月14日,物理學家宣稱,2012年大型強子對撞機(LHC)發現的一種新粒子就是希格斯玻色子,這種長期尋找的神秘粒子將解釋其它粒子如何獲得質量。

這項發現是在大型強子對撞機實驗中證實的,在實驗中質子以接近光速的速度環繞瑞士和法國地下一個27公裏長的環狀隧道運行,希格斯玻色子是物理學標準模型中唯一尚未找到的粒子,由于它極其重要又難以找到,因此也被稱為“上帝粒子”。

科學家指出,希格斯玻色子得以證實,這將在科學界產生廣泛而深遠的影響,以下是六個最重要的影響:長期以來,希格斯玻色子被認為是揭曉質量的神秘起源,該粒子與“希格斯場”密切相關,從理論角度上講,希格斯場遍布整個宇宙。當其它粒子穿過希格斯場時,它們就獲得質量,這與遊泳者在水池中遊泳全身變濕的道理一樣。

2012年宣稱發現希格斯玻色子時美國哈佛大學物理學家Joao Guimaraes da Costa說:“希格斯機製將使我們理解微粒如何獲取質量,如果不存在這樣的機製,任何事物都將沒有質量。”

物理學家宣布這種最新粒子就是希格斯玻色子將進一步證實希格斯機製是微粒獲取質量的正確途徑。加州理工學院物理學教授瑪麗亞-斯皮羅普說:“這項發現表明質量如何起源于量子等級。”標準模型是描述宇宙非常微小成分的粒子物理學規範性理論,標準模型所預測的每一種粒子都已發現,但除了希格斯玻色子。

歐洲核子研究委員會研究員喬納斯-斯特朗伯格說:“這是標準模型中未發現的部分,通過發現希格斯玻色子,將進一步證實了該理論的正確性。”迄今為止,希格斯玻色子與標準模型所預測的情況相匹配,盡管如此,標準模型並非完整,它並不包含重力。例如:遺漏了構成宇宙98%物質成分的暗物質。

3月14日費米實驗室緊湊型μ子螺旋型磁譜儀(CMS)主管帕蒂-麥克布賴德說:“發現標準模型中存在希格斯玻色子這一明顯證據仍不能完全理解宇宙,目前我們仍無法理解為什麽引力如此虛弱,我們必須解決神秘的暗物質之謎,現在令人滿意的是更進一步地證實這個48年歷史的標準模型理論。”證實發現希格斯玻色子將有助于解釋宇宙中的兩種基礎作用力如何發生互動作用——電磁作用力控製帶電粒子之間的互動作用;弱作用力與放射性衰變有關。 自然界每一種作用力都與粒子有關,與電磁關聯的粒子是光子,一種微型無質量的粒子。弱作用力與W玻色子Z玻色子緊密相連,它們具有一定的質量。希格斯機製被認為與弱作用力密切相關。

斯特朗伯格說:“如果你引入了希格斯場,W玻色子和Z玻色子將與希格斯場進行混合,並獲得了質量。這將解釋為什麽W玻色子和Z玻色子擁有質量,同時在弱電作用力中將電磁和弱作用力結合在一起。”超對稱性理論受發現希格斯玻色子的影響,該理論假定每一個已知粒子都擁有“超對稱粒子”,且具有輕微的特征差異。之所以超對稱性理論倍受關註是因為它能夠規範統一自然界其它作用力,甚至提供構成暗物質的候選粒子。迄今為止科學家僅發現標準模型中的希格斯玻色子是候選粒子,再沒有發現任何具有超對稱性粒子的線索。大型強子對撞機是世界上最大的粒子加速器,是由歐洲核子研究委員會(CERN)斥資100億美元建造的,它用于探測曾抵達地球的較高能量,發現希格斯玻色子是該儀器的最主要目標之一。科學家最新宣稱發現希格斯玻色子將很大程度地肯定了大型強子對撞機的有效性,以及多年以來科學家們的工作。加州理工學院物理學教授瑪麗亞-斯皮羅普說:“這項發現解釋了質量如何源自量子等級,它是我們建造大型強子對撞機的理由,這是一項空前未有的科學項目。”科學家稱,發現希格斯玻色子開啓了之前不可能存在的新型計算模式,其中暗示著未來數十億年之後將出現宇宙大災難。希格斯玻色子的質量是評估預示未來空間和時間的重要部分,其質量大約是質子的126倍,從根本上希格斯玻色子需要建立一個不穩定動蕩的宇宙,未來數十億年之後將發生一場宇宙大災難。2月份召開的美國科學促進會年會上,費米國家實驗室理論物理學家約瑟夫-林肯說:“這項評估計算告訴我們未來數百億年將出現一場宇宙大災難,我們生存的宇宙本質上是不穩定的,未來幾十億年的某一時刻宇宙將消亡。”

“宇宙是不存在的”

2014年6月27日,在歐洲原子能研究中心工作的科學家們在對“上帝粒子”希格斯玻色子的屬性進行研究,並將其與關于宇宙大霹靂後的另一理論相結合,最後得出“宇宙是不存在的”這一震驚世界的理論。隻是還有許多新的物理學現象無法用這一理論進行解答,所以科學家們對宇宙的探索仍在繼續進行中。

在物理學研究中,對“希格斯玻色子”的研究一直是整個宇宙研究的重中之重,因為它被認為是賦予宇宙質量的粒子,並且這一微小讓人費解的宇宙顆粒與現有科學理論互不相容。它還有另外一個名字為“上帝粒子”,意為取代上帝創世的粒子。對其相關研究顯示,“宇宙在‘大霹靂’結束後隻出現了瞬間就消失了”。這一發現讓所有科學家為之一振並感覺難以接受。如果這一理論是正確的,也就意味著所有的一切都就將面臨著重新洗牌的危險。

科學家們將這一理論與先前另一個預測宇宙膨脹的同樣富有爭議的理論相結合,最後得出宇宙在大霹靂後的零點幾秒立刻發生了大收縮的理論。也就是說宇宙是不存在的,人類也是不存在的。不過這一理論無法解釋許多新的物理現象,科學家們認為可能是在研究過程中忽略了一些東西,抑或是還有未被發現的物理粒子的存在。

研究成果

萍蹤難覓

然而希格斯粒子的真面目卻始終無緣識荊,有過幾次,人們似乎已經發現了希格斯粒子的蹤影,然後它卻似乎是故意在人們面前閃現一下影子,然後就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

2000年,位于瑞士的歐洲核子研究中心(CERN)的工作人員通過世界上最大的正負電子對撞機LEP攫取了115GeV的希格斯粒子,但是他們當時的統計資料不足以做出任何確定的推論。

另一次在2003年,物理學家嘗試通過位于美國芝加哥的費米實驗室的正負質子對撞機,讓質子與反質子相互對撞分析出希格斯粒子的運動軌跡,嘗試證實或否定CERN先前的實驗結果。但是由于先前計畫從舊實驗中回收反質子的方案並不可行,而且存在已有二十年之久的正負質子對撞機同樣也到了更換的階段,需要很長的時間來修復,因此費米實驗室的研究遇到了一定的挫折。

然而人們似乎已經下定決心一定要找到這個神秘的粒子。2008年8月,靠近瑞士和法國邊境的歐洲核子研究中心將開始運行新的大型質子對撞機(LHC)。這架大型質子對撞機安放在位于地下175米深處,周長約為27公裏的隧道中,計畫造價約為80億美元。計畫實施時,將有來自34個國家150個研究實驗室近2000名科學家參加。樂觀的估計,將在2010年前後提供一個確切的答案。

于2003年開始興建的歐洲大型強子對撞機位于法國和瑞士邊境地區地下175米深、約27公裏長的環形隧道中,耗資總計約20億美元,預計將于2008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。科學家普遍期望在這一對撞機的幫助下,能夠發現希格斯玻色子。 

不過希格斯認為,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可能已經獲得了希格斯玻色子存在的資料。希格斯說,希望能在迎來自己80歲生日前證實希格斯玻色子的存在。他幽默地說:“如果屆時還是沒有發現,那我隻能祝願自己活得再長久一些了。”但他強調,如果總是不能證實希格斯玻色子的存在,那麽他將“非常、非常困惑”,因為他“無法想象除此之外還能怎樣解釋物質是如何獲得質量的”。

物理學家們懷著對科學的熱愛和虔誠,一直致力于理解物質的真正本質,完成對所有物理現象的統一理論,從而獲得整個世界的終極知識。

最新發現

美國物理學家于2011年7月27日報告說,他們已大幅度縮小了希格斯玻色子的搜尋範圍,困擾物理學界40多年的“希格斯玻色子存在之謎”有可能于今年九月末揭開。

美國費米國家實驗室的物理學家在歐洲高能物理學會議上報告說,他們利用實驗室的正反質子對撞機模擬宇宙大霹靂狀態,分析撞擊中產生的數千億粒子。他們成功將隱藏的希格斯玻色子質量範圍確定在110至155Gev/c間。按計畫,到今年9月末他們可能採集足夠資料,得出最終結論。

本月22日,歐洲核子研究中心根據大型強子對撞機的實驗資料,也發現了希格斯玻色子存在的線索,他們認定,150至450Gev/c區間並非希格斯玻色子的質量區間。

2012年7月2日,美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布,該實驗室最新資料接近證明被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。

在7月4日早晨9點,歐洲核子中心宣稱:我們(用大型強子對撞機LHC)發現了一個新粒子,它很有可能就是希格斯粒子。發布會的高潮是ATLAS(LHC上4個大型探測器之一)實驗組的發言人法比奧拉·吉亞諾蒂(Fabiola Gianotti)在螢幕上打出一個尖峰,“置信區間為5個標準差”,這意味著粒子不存在的幾率隻有350萬分之一(根據CERN的最新訊息,希格斯粒子的置信區間已達到了5.9個標準差,也就是說,這個粒子不存在的幾率從7月4日的350萬分之一降到了5.5億分之一)。

Gev/c是基本粒子質量的一個單位,其中Gev是10億電子伏特,c是光速的平方。根據愛因斯坦的質能公式,物質的能量等于質量乘以光速的平方,因此,以電子伏特為單位的能量除以光速的平方,就用來衡量粒子的質量。

希格斯玻色子是物理學基本粒子“標準模型”理論中最後一種未被發現的基本粒子,其自旋為零,其他粒子在希格斯玻色子作用下產生質量,為宇宙形成奠定基礎。迄今為止,“標準模型”預言的其他粒子都已發現,但希格斯玻色子的存在尚未在實驗中證實,它又被稱為“上帝粒子”。一旦研究證實希格斯玻色子不存在,“標準模型”理論將被推翻。

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1988年諾貝爾物理學獎得主萊德曼在其與和泰雷西合著的《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什麽是問題?》的結尾充分流露出了物理學家們對終極前景的渴望,他這樣寫道:“天空中出現了一道炫目的光芒,一束光亮照亮了我們這位沙灘主人。在巴赫B小調彌撒曲庄嚴、高潮的和弦配樂下,也可能是在斯特拉·溫斯基的短笛獨奏《春之祭》中,天空中的光慢慢地變成了上帝的臉,微笑著,但帶著極度甜蜜的悲傷表情。”

標準模型是這樣一個被物理學家們寄予很高期望的,通往終極的理論,然而標準模型自身有兩個很重要的缺陷:模型中包含了過多的參數,並且理論未能描述重力。而且正如本文一開始指出的,標準模型所預言的希格斯粒子卻始終未能在實驗中發現。萊德曼對希格斯粒子憂心忡忡,認為它是一個阻止我們獲得終極知識的“大壞蛋”。

《一千零一夜》裏有這樣一個著名的故事:一隻大鳥奪走了王子的戒指,王子去追逐這隻大鳥,這隻大鳥飛過一段距離後,就故意停下來等王子追近,每次王子感到馬上就要趕上大鳥的時候,大鳥卻一下子又振翅飛走了。好像終極知識就是可惡那隻大鳥,每當我們覺得已經就要得到之時,他就一下子又走遠了。一旦希格斯粒子被證實不存在,那麽整個物理學就將經歷一場新的困惑和震動,我們不得不再次目睹終極理想離我們遠去。

米蘭·昆德拉說過一句古老的猶太諺語:“人類一思考,上帝就發笑”(見《小說的藝術》和《生命不能承受之輕》)。其話語中認為人類命運是早就註定的,無法逃脫宿命論。但是人類是思考的動物,幾千年來,人類真理和真相寄托于宗教,但是失敗了;近代以來,現在科學家們匯聚人類的智力財富,開始了新的探索,對比浩瀚的宇宙,也許我們很渺小,但是探索的歷程以及這一歷程中的新發現正是我們人類生存的意義所在。

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