希格斯玻色子

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希格斯玻色子 希格斯玻色子(或称希格斯粒子、希格斯子Higgs boson)是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。英国物理学家希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯机制。在此机制中,希格斯场引起自发对称性破缺,并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发,它通过自相互作用而获得质量。

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希格斯玻色子 幻影粒子

       

自1899年汤姆逊爵士发现电子开始,直至如今,在一个多世纪的时间里,人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。当1995年3月2日,美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时,一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证,看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利,对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声,似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的,充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲,但是仍然有一个粒子,游离在这座辉煌的大厦之外,仿佛一个幽灵,这就是希格斯粒子,而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。但是也许会为我们揭示出一条全新的探索旅途。就让我们先来回顾一下上个世纪中期以来粒子物理学的发展历史,以及现在处于主流的标准模型理论。

希格斯玻色子 希格斯玻色子之迷

       

在电弱统一理论从建立到获得成功,其中一个关键的因素就是对称自发破残原理推测出来的希格斯玻色子,用它来解释电弱统一理论中的W+1、W-1、Z0玻色子非零质量的获得机制。

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但到如今,电弱统一理论已经获得了诺贝尔奖从而得到大家普遍的承认,而作为电弱统一理论基础的希格斯玻色子(X0)仍然没有在大家的视野中揭开它神秘的面纱,这个难题一直以来都困扰着所有从事基本粒子研究的爱好者们。虽说到现在为止还没有人发现它的踪迹,但很多实验表明了电弱统一理论是完全正确的,这使得人们相信它必然存在,发现它只是时间的问题。但是科学是一门以事实说话的学问,不是大家想当然的就能解决的问题。因此找到一种合乎自然辩证逻辑的理论是解释现象的关键。

作为一名以发现自然本身规律为乐趣的人,我总是追求一些最为本质的东西,从由此及陂,去推论下一级的规律,以便于这种合理性能够延续下去,使人在理性认知上相信有充分理由,它可以作为检验规律的一种方法,去衡量真理,它有多大的价值被采用于后来的事实运用,这就是我对事物分析和归纳的一种方法论。

现在我们正式来讨论希格斯玻色子(X0)在理论上的存在性,首先请允许我把新的基本粒子理论中的假设作为证明希格斯玻色子(X0)存在的前提,它们就是大爆炸后诞生不久的粒子,可以说它们和现在已经探明的粒子都有着千丝万褛的关系,它们的荷是+8/3、-8/3、+4/3、-4/3,是宇宙诞生初期形成质量的整体粒子,如果要用个符号来表示它们,我想H和V可以充用。在宇宙诞生初期,这种同等异质活动很激烈,经常发生碰撞,就会发生能量转换,使粒子产生变化,而希格斯玻色子(X0)就是这种碰撞,能量转换产生的粒子。下面是用方程式来简要的表达以下这种变化:

一、夸克(K+2/3、K-2/3)、味玻色子(W+1、W-1)及电荷粒

(E+1、E-1)的生成方程

1、H+8/3  →    K+2/3  +  W+1  +  E+1

2、H-8/3  →    K-2/3  +  W-1  +  E-1

二、夸克(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

1、V-4/3   →    K-1/3  +   W-1  +  M 0

2、V+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

希格斯玻色子希格斯玻色子

1、H+8/3  +   H-8/3    →    X0  +  W+1  +  W-1

2、V+4/3  +   V-4/3    →    G0  +  W+1  +  W-1


四、磁单极子(C0)、胶子(J0)、光子(Y0)及不带荷的味玻色子(Z0)的生成方程

1、H+8/3  +   H-8/3    →    C0  +  J0  +  Z0

2、V+4/3  +   V-4/3    →    Y0  +  J0  +  Z0

希格斯玻色子 标准模型

       
粒子物理学在上个世纪50年代,经历了一个短暂的困难时期,按照诺贝尔奖得主,电弱统一理论提出者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”,几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答,从60年代开始,基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论,逐步构建完成了
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现代的标准模型理论。今天,标准模型早已成为粒子物理学的主流理论,它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴,但是没有描述重力。

标准模型包含费米子及玻色子两类-费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理(这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态)的粒子;玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。简单地说,费米子组成物质的粒子,而玻色子负责传递各种作用力。弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论,即把费米子跟玻色子配对起来,以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变,所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

标准模型所包含的玻色子有:负责传递电磁力的光子;负责传递弱核力的W及Z玻色子;负责传递强核力的8种胶子。

我们最初提到的希格斯子,也是一种玻色子,然而它与上述这些规范玻色子不同,希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺,是惯性质量的来源,因此并不是规范玻色子。那么为何质量问题如此重要呢?要解答这个问题,必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中,杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题,由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量,然而这一禁忌却与
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实验中的观测不相符合,如果不能解决质量问题,将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制,即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求,使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性,然而到了1962年,每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子,这无疑也是不可能的。1964年,英国物理学家希格斯(Higgs)解决了这个问题,使得自发对称性破缺发生时,那个无质量无自旋粒子仍然存在,但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量,从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴,标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺,同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。

这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因,可以说它是整个标准模型的基石,如果希格斯粒子不存在,将使整个标准模型失去效力。

希格斯玻色子 萍踪难觅

       
然而希格斯粒子的真面目却始终无缘识荆,有过几次,人们似乎已经发现了希格斯粒子的踪影,然后它却似乎是故意在人们面前闪现一下影子,然后就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

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2000年,位于瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)的工作人员通过世界上最大的正负电子对撞机LEP攫取了115GeV的希格斯粒子,但是他们当时的统计数据不足以做出任何确定的推论。

另一次在2003年,物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机,让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹,试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行,而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段,需要很长的时间来修复,因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。

然而人们似乎已经下定决心一定要找到这个神秘的粒子。2005年,靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机(LHC)。这架大型质子对撞机安放在位于地下75米深处,周长约为27公里的隧道中,计划造价约为80亿美元。计划实施时,将有来自34个国家150个研究实验室近2000名科学家参加。乐观的估计,将在2009年前后提供一个确切的答案。

物理学家们怀着宗教般的虔诚,一直致力于理解物质的真正本质,完成对所有物理现象的统一理论,从而获得整个世界的终极知识。这个梦想就好像是圣经中所描述的建造巴别塔的过程。

希格斯玻色子 关联

       

1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在其与和泰雷西合著的《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》的结尾充分流露出了物理学家们对终极前景的渴望,他这样写道:

“天空中出现了一道炫目的光芒,一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐

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下,也可能是在斯特拉温斯基的短笛独奏《春之祭》中,天空中的光慢慢地变成了上帝的脸,微笑着,但带着极度甜蜜的悲伤表情。”

标准模型是这样一个被物理学家们寄予很高期望的,通往终极的理论,然而标准模型自身有两个很重要的缺陷:模型中包含了过多的参数,并且理论未能描述重力。而且正如本文一开始指出的,标准模型所预言的希格斯粒子却始终未能在实验中发现。莱德曼对希格斯粒子忧心忡忡,认为它是一个阻止我们获得终极知识的“大坏蛋”。

我不禁想起了《一千零一夜》里的一个著名的故事,一只大鸟夺走了王子的戒指,王子去追逐这只大鸟,这只大鸟飞过一段距离后,就故意停下来等王子追近,每次王子感到马上就要赶上大鸟的时候,大鸟却一下子又振翅飞走了。好像终极知识就是可恶那只大鸟,每当我们觉得已经就要得到之时,他就一下子又走远了。一旦希格斯粒子被证实不存在,那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动,我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。

米兰·昆德拉说过一句古老的犹太谚语:“人类一思考,上帝就发笑”,能否获得终极也许不是最重要的。人类是思考的动物,探索的历程以及这一历程中的新发现才是我们人类生存的意义所在。

希格斯玻色子 未来探索

       

在40多年前预言了希格斯玻色子存在的英国物理学家彼得·希格斯,日前在参观欧洲核子研究中心的大 型强子对撞机(LHC)时对媒体说:“几乎可以确定,很快就可以发现希格斯玻色子。”

希格斯玻色子被认为是物质的质量之源,它是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种未被证实的粒子,但是它的存在却是整个“标准模型”的基石。因此,它被称为粒子物理学的“圣杯”,也被称为“上帝粒子”,充满了神秘色彩。

  

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自从希格斯预言这一粒子存在以来,科学家们就一直试图在实验中发现该粒子从而证实其存在,但至今所有努力均告失败。

于2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中,耗资总计约20亿美元,预计将于今年6月正式开始运行。届时,它将凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下,能够在前所未有的对撞能量下取得包括发现希格斯玻色子在内的新发现。2月29日,在瑞士日内瓦郊区的欧洲核子研究中心,工作人员准备吊运大型强子对撞机(LHC)工程的ATLAS探测器最后一个大型部件。这个直径9·3米、重达百吨的圆形部件当天被吊装入地下深100米、总长约27公里的环形隧道内。这标志着ATLAS探测器建造和安装已进入最后阶段。 新华社记者杨京德摄

不过希格斯认为,发现希格斯玻色子未必一定需要大型强子对撞机的帮助。他说,迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据,“这是可能的……希格斯玻色子的身影可能已存在于他们获得的数据中了,只是还没有从数据分析中找到而已”。

出生于1929年的希格斯说,希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯玻色子的存在。他幽默地说:“如果届时还是没有发现,那我只能祝愿自己活得再长久一些了。”但他强调,如果总是不能证实希格斯玻色子的存在,那么他将“非常、非常困惑”,因为他“无法想象除此之外还能怎样解释物质是如何获得质量的”。

希格斯玻色子 参考资料

       

http://www.blog.edu.cn/user3/tyx123/archives/2007/1914373.shtml
http://hi.baidu.com/0a58/blog/item/1b6a84cd2be490540eb34566.html
http://www.shm.com.cn/ytrb/html/2008-04/14/content_5585160.htm 

 

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