上帝粒子是什麼?

上帝粒子是什麼?想解答這個問題,首先需要提及一個名詞——「粒子物理」。說起粒子物理,你會想到什麼呢?是那個在美劇《生活大爆炸》中,智商極高而情商極低,常常令身邊的朋友感到哭笑不得的物理天才「謝耳朵「 Sheldon?還是歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC?近年來最令粒子物理界興奮的事件莫過於2012年LHC上的實驗發現了被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子,而其中兩位「上帝粒子」的提出者也因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。

但是要真正解釋諸多粒子和很抽象的科學問題並不容易,尤其是對於非物理學專業的人而言,因此,藉助類比和模型就很重要。

比如使用樂高積木。

我們可以想象每塊積木都是由數以億計的粒子構成的,從宇宙大爆炸開始,到認識希格斯玻色子(上帝粒子),再到對未來粒子物理學發展的暢想,這是一次獨特而美妙的探索之旅!

雖然積木的類比並不能完美地描述自然,但是卻能讓我們用最簡單的方法了解宇宙的全景。

那麼上帝粒子到底是什麼呢?它又是如何作用的?下面利用樂高積木來認識一下。

一、上帝粒子

上帝粒子,也稱希格斯玻色子。希格斯玻色子(英語:Higgs boson)是粒子物理學標准模型預言的一種自旋為零的玻色子,不帶電荷、色荷,極不穩定,生成後會立刻衰變。

希格斯玻色子是非常重要的粒子。科學家在1965年預測了它的存在,2012年正式確定了它的存在,這也是粒子物理學標准模型拼圖中的後一塊。希格斯玻色子是與希格斯場密切相關的粒子。

希格斯場通過希格斯玻色子的交換作用,減緩了基本粒子的速度,就好像它們要穿過黏稠的糖漿一樣。這樣可以避免粒子達到最快的速度——光速。這種減速的行為與我們日常對質量的理解類似,如果想加快一個較大質量的物體的移動速度,那麼就需要使出更大的力。

希格斯玻色子並不是用同樣的方式與所有的粒子相互作用,它的相互作用方式更獨特一些。與希格斯玻色子的相互作用越多,粒子的減速越大,觀察到的粒子的質量也就越大。

上帝粒子是什麼?

希格斯場的概念圖解

1。 頂夸克

頂夸克是最重的基本粒子,與希格斯玻色子的相互作用最多。

上帝粒子是什麼?

2。 「輕」電子

「輕」電子與希格斯玻色子的相互作用非常少,因此它比頂夸克更容易加速到高速狀態。

上帝粒子是什麼?

3。 中微子

中微子的質量非常微小,到目前為止還沒有確定是多少,所以在所有的費米子中,它們與希格斯場的互動最少。

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4。 希格斯玻色子

希格斯玻色子有質量,因為它可以與其自身相互作用,減慢它自己的速度,就像路人在街上閒逛着玩手機一樣。

上帝粒子是什麼?

二、尋找希格斯

如果Higgs場(Higgs場,又叫BEH場,BEH場是以羅伯特•布羅特、弗朗索瓦•恩格勒和彼得•希格斯命名的,希格斯和恩格勒因此獲得了2013年諾貝爾物理學獎。布羅特在2011年逝世了。)無所不在,那麼為什麼我們不能總是看到希格斯玻色子呢?

與W玻色子和Z玻色子一樣,因為希格斯玻色子質量很大,所以需要很多能量才能產生它們。現在宇宙的平均能量較低, 它們只能以虛粒子的形式存在。要想直接檢測到希格斯玻色子,我們需要使用合適的能量將希格斯虛粒子帶到真實的世界。

這已經通過大型強子對撞機實現了,主要有 4 種方式,每種都包含了 1個粒子和 1個反粒子的湮滅。

上帝粒子是什麼?

一旦生成,短壽命的希格斯玻色子就會立刻衰變成1個粒子反粒子對。就像W玻色子和Z玻色子的發現一樣,希格斯玻色子的存在是根據已知粒子衰變行為的能量總和推斷出來的。

如果測得的能量值超過了已知粒子能量的總和,那麼就不能用我們已知的粒子來解釋這一現象,這非常重要,說明這個能量只能從一種新粒子的衰變中產生。

希格斯玻色子與任何有質量的粒子發生相互作用,一般來說可以衰變成任何有質量的玻色子或費米子——質量越大的粒子,希格斯越可能衰變成它們。

下圖演示了希格斯玻色子在大型強子對撞機(LHC,世界最大的強子對撞機)上的 ATLAS和CMS探測器中被觀察到的Higgs粒子候選事例衰變模式。

上帝粒子是什麼?

上帝粒子是什麼?

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註:上圖4中所表述的希格斯玻色子還可以衰變成底夸克和反夸克(H→bb過程)於2018年在LHC上的ATLAS實驗上觀測到了,該書英文原版出版於2017年,出版時還未觀測到。

雖然2012年LHC上發現了Higgs,但是它的信噪比低,不足以更詳細的研究希格斯玻色子的性質。

而中國提出的環形正負電子對撞機(CEPC)則可以製造大量干淨的希格斯粒子事例從而精確測量其性質,確認該粒子是否標准模型希格斯玻色子,並通過它深入研究電弱對稱性自發破缺機制和質量起源等基本問題,尋找超出標准模型的新物理的線索。

CEPC周長約100公里,大約為LHC周長的4倍,將是世界上最大的大型對撞機,它的建設將能極大促進中國高能物理的研究,也將使我國成為世界粒子物理學的研究中心之一。

來源:cnBeta