[圖文]對撞機疑發現「上帝粒子」希格斯-波色子 | 陽光歷史

 

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[圖文]對撞機疑發現「上帝粒子」希格斯-波色子

2015年05月29日 科學探秘-長篇 暫無評論 閱讀 286 次


這是一幅計算機模擬圖,顯示如果出現一次希格斯事件時,粒子將出現的軌跡模式




  這幅圖顯示大型強子對撞機(LHC)緊湊型μ子螺旋型磁譜儀(CMS)儀器的數據是如何證實或排除希格斯粒子在不同能級水平上的存在的。


緊湊型μ子螺旋型磁譜儀(CMS)儀器結構示意圖,長21米,寬15米,高15米



ATLAS探測設備示意圖,長46米,寬25米,高25米,確實是一台超級龐然大物


  希格斯-波色子通常又被稱為「上帝粒子」,它被認為是萬物的「質量之源」,同時也是標準模型中最後一種未被發現的粒子。物理學界長期以來試圖尋找它蹤跡的努力皆以失敗告終,因此這種行蹤詭秘的神秘粒子一直讓科學家們為之瘋狂。不過現在,來自歐洲大型強子對撞機(LHC)的數據顯示,這種一直以來毫無蹤跡的「上帝粒子」可能已經被找到了。


  當然在此之前一直就有這種說法,說美國芝加哥附近的費米加速器已經找到了希格斯-波色子,儘管這種說法一度平息下去,但是最近幾個月又一次出現起伏,甚囂塵上。


  而這一次的消息則要靠譜的多:歐洲核子中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)的兩台希格斯粒子探測儀器在該設備產生的海量數據中同時記錄到了疑似信號。儘管謹慎地說,這一信號目前還未能清晰到足以判定此項發現,但是這至少意味著這台耗資超過100億美元,號稱是這顆星球上最龐大複雜,同時也是最昂貴的科學儀器,畢竟正在朝著正確的方向前進。


  LHC項目ATLAS探測設備設計小組發言人法波拉·托內利(Fabiola Tonelli)告訴英國《衛報》記者說:「我們現在還不能下任何斷言,但是毫無疑問的,這非常有趣。」而令人振奮的是,另一台探測設備:緊湊型μ子螺旋型磁譜儀(Compact Muon Solenoid,CMS)小組也同樣報告了探測到疑似信號結果。


  這兩個小組各自獨立地於週五在法國召開的歐洲物理學會議上報告了自己的結果,這一會議是物理學界最大型的粒子物理學交流平台之一。ATLAS和CMS小組一直以來都在埋頭於LHC對撞設備產生的數以億萬計的數據點陣中,苦苦尋找可能顯示希格斯-波色子曾短暫存在的統計學信號。


  根據此次的最新分析結果,物理學標準模預言的希格斯-波色子類型可能將在大約1400億電子伏,即140 GeV的能級上出現。


  考慮到統計學上的嚴謹性,此次的數據結果還無法支持一項確定的科學發現報告。不過無論如何,兩台設備得到這樣非常類似的疑似信號是非常令人興奮的。


  來自美國費米國家實驗室的粒子物理學家唐納德·林肯(Donald Lincoln)同時也是CMS小組成員,他說:「如果你現在去詢問任何一位有名望的物理學家,他們也不能告訴你任何更多的消息,他們只會說這非常非常有趣,而我能告訴你的,就是:這確實非常非常有趣。」


  但是很顯然還有很多科學家對此並不信服。義大利帕多瓦大學的托馬索·多里格(Tommaso Dorigo)教授也是CMS小組成員,同時還擔任美國費米實驗室CDF小組成員。他說他「沒有看到任何和希格斯-波色子有關的疑似信號」。幾乎和前面所述的相反,他認為此次LHC所使用的能級恰恰給出了理論預言的希格斯粒子最不可能出現的能級。不過大多數物理學家都同意這樣一個說法,那就是有關這種神秘粒子究竟是否存在這一終極問題,物理學家們不久之後應當就能給出一個相當明確的答案。


  如林肯就說:「我討厭進行具體的預測,但是很顯然,考慮到目前的表現和進度,我想希格斯粒子被證實或者被排除的時間應該就會發生在最近幾個月或幾年內。」


  尋找希格斯-波色子


  尋找希格斯-波色子是一項巨大的工程,事實上這也是當初全世界合力建造這台超大型科學設備的主要初衷。


  LHC設備位於法國-瑞士邊境,它擁有一個長達27公里的地下環形隧道。在這個隧道中,粒子會被加速到接近光速並迎面對撞。撞擊的結果會由安裝在隧道各處的各種專用探測器捕捉並進行數據分析。


  這種極高能對撞會產生一些極其罕見的物質,但是它們會瞬間衰變成較為常見的亞原子粒子,但是根據儀器記錄到的數據,對這些粒子的分佈情況,運動方向和速度等數據進行分析,物理學家們能夠揭開一系列困擾人類的最基本問題,如宇宙誕生時的狀況,暗物質的本質,以及宇宙中可能存在的其它維度。


  而希格斯-波色子和它附帶的希格斯場,則是所有這些困擾人類的「終極問題」中的一個。早在上世紀60年代,英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)就和其他科學家合作,預言了這種神秘粒子的存在,這種粒子被視為是自然界粒子質量的來源。


  長期以來物理學家一直知道有一些組成物質的粒子具有質量,如夸克和輕子,但是也有一些粒子卻沒有質量,如光子。那麼,究竟是什麼決定了這兩者的不同?


  針對這個問題,希格斯和他的同事們提出了一種特殊的場,即希格斯場理論。根據這一理論,存在一種類似磁場的「希格斯場」,它對不同粒子施加不同的影響,從而形成了質量為零和質量非零的不同粒子。


  在粒子物理學中,場這一概念常常會和攜帶力的粒子相關聯,並被歸入「波色子」的範疇。而和希格斯場相互作用的粒子則被稱為希格斯-波色子。諾貝爾獎獲得者萊恩·林德曼(Leon Lederman)為這種粒子取了一個雅號叫「上帝粒子」。這是因為這種粒子在我們對於宇宙的理解中起著核心卻微妙的作用。不過希格斯本人和其他很多物理學家痛恨這個名字,因為他們認為這個名字可能會誤導或激怒某些人群。


  如果希格斯-波色子終於被找到,並且並證明其行為方式符合標準模型的預言,那麼這將是一個歷史性的時刻,證明我們長久以來對於宇宙結構的理解是正確的。但如果希格斯-波色子最終無法找到,或者即使找到,但是其行為不符合標準模型預言,那樣的話將更加令人興奮,因為那樣就意味著物理學家們重新面臨一個機會,回到一張白紙跟前,重新構思他們有關宇宙最根本運行模式的想法。


  就現在而言,要預言這樣的推倒重來究竟會對科學界或我們的日常生活產生何種影響還為時過早。但是就在大約100年前,我們的社會便經歷過這樣的一次顛覆性科學思維革命。當時量子理論和相對論被提出來用以解釋一些觀察到的,用19世紀的經典物理學無論如何也無法解釋的新現象。正是那次的科學革命,改變了我們的世界,帶來了從原子彈和核電站,從微波爐到激光器的各種發明。所以說,在現在這個階段,誰能預言後標準模型時代會是怎樣的一幅圖景呢?


  有一點需要指出,那就是發現希格斯-波色子的過程可不像是發現新大陸那樣是一瞬間的狂喜,而是一個漫長而艱辛的過程。海量的數據需要分析,無數的統計學結果需要過濾,以便找出潛在隱藏的信號。


  林肯形象的解說:「這就像是在一個大霧天行走於人群之中,然後你睜大眼睛,等待你在人海中認出你要找的那個人的臉的那一刻。」這可能就是21世紀物理學新發現的普遍模式:首先你會注意到一些蛛絲馬跡,暗示前方將出現一種有趣的新現象,於是你需要更多的數據來確認自己的發現,最後才是恍然大悟,意識到所有這一切的時候。所以,對於這一似乎預示著曙光的結果,讓我們拭目以待。


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