2分鐘,帶你一起快速瞭解最激動人心的科學發現——希格斯玻粒子

毫無疑問,最令人興奮的科學發現是在歐洲核子研究中心實驗室發現了一種新的粒子,它很可能就是希格斯玻色子,一種以物理學家彼得·希格斯命名的粒子。科學家認為希格斯場使構成普通物質的基本亞原子粒子如夸克和輕子擁有了質量。而希格斯玻色子在希格斯場中搖擺,就像你拉扯繩子時看到的樣子。但是這個場是如何賦予粒子質量的呢?很多人都被這個問題困擾。

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1993年,英國科學部長以一瓶上品香檳為獎勵,讓物理學家找到一種簡單的方法來解釋所有希格斯粒子。獲獎的解釋是這樣的:假設在歐洲核子研究中心的實驗室裡有一個大型的雞尾酒會,裡面都是粒子物理學研究人員。這個人群代表了希格斯場。

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此時一個收稅員走了進來,並且沒有人和他說話,他可以很容易地穿過房間到達酒吧。收稅員不會和人群相互作用,就像有些粒子不會和希格斯場相互作用一樣。這些不與希格斯場相互作用的粒子,比如光子,被稱為無質量粒子。現在,假設彼得·希格斯(Peter Higgs)進入了同一個房間,理由可能是為了找一品脫啤酒。

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此時,物理學家們會立即簇擁在希格斯周圍,與他討論他們研究希格斯玻色子特性的努力。由於希格斯與人群的互動強烈,他穿過房間的速度會比較慢。在我們的類比中,希格斯粒子通過與場的相互作用變成了一個具有質量的粒子。那麼,如果這就是希格斯場,那麼希格斯玻色子與這一切有什麼關係呢?讓我們假裝我們的派對觀眾均勻地分佈在房間裡。現在假設有人突然將頭探進門裡,報告某個遙遠的敵對實驗室發現的傳聞。離門近的人會聽到消息,但離門遠的人不會,所以他們會靠近門問。這將在人群中形成一個人堆。

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當人們聽到傳聞後,他們會回到原來的位置來討論它的影響,但離得更遠的人會問發生了什麼。於是一個人堆就在房間裡移動起來。這一堆人就類似於希格斯玻色子。有一點很重要,請記住,並不是大質量粒子就與希格斯場有更多的相互作用。在我們對聚會的類比中,所有粒子在進入房間之前都是相等的。彼得·希格斯和收稅員都是零質量。正是與大眾的互動使他們獲得了質量。再說一遍。質量來自與場的相互作用。所以,讓我們來總結一下。

一個粒子的質量大小取決於它與場的相互作用,就像不同的人在人群中以不同的速度移動,這取決於他們的受歡迎程度。而希格斯玻色子只是組成場的一團,就像穿過房間的傳聞。當然,這個解釋也僅僅只是一個類比而已,但它是迄今為止所有類比中最好的一個。所以,這就是希格斯場和希格斯玻色子。如果我們找到了它,持續的研究將會帶給我們更多結論,其回報可能遠比一瓶香檳更具價值。

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在量子物理學的標準模型中,希格斯機制是解釋規範玻色子“質量”屬性產生機制的關鍵。如果沒有希格斯玻色子機制,所有的玻色子(兩類粒子之一,另一類是費米子)都只能是無質量的,但測量結果顯示,W+、W−和Z0玻色子實際上都具有比較大的質量,約為80 GeV/c2。希格斯場成功解決了這個難題。對這一機制最簡單的描述是在標準模型中加入一個貫穿所有空間的量子場(希格斯場)。在某些極高的溫度下,電場會在相互作用中引起自發的對稱性破壞。對稱性的破壞觸發了希格斯玻色子機制,導致與之相互作用的玻色子產生質量。

在標準模型中,“希格斯機制”一詞特指W±和Z弱規範玻色子通過電弱對稱性破缺而產生質量的過程。歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)宣佈發現了與希格斯粒子一致的實驗產物,這意味著該場(或類似場)極有可能存在,同時能很好地解釋希格斯粒子機制在自然界中是如何發生的。

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該機制由菲利普·沃倫·安德森(Philip Warren Anderson)在1962年提出,在20世紀50年代後期關於超導對稱性破斷的研究和Yoichiro Nambu在1960年的一篇論文中討論了它在粒子物理學中的應用之後提出。1964年,三個獨立研究小組幾乎同時發表了一項理論,該理論能夠在不“打破”規範理論的情況下,最終解釋質量的來源:羅伯特·布勞特(Robert Brout)和弗朗索瓦·恩格勒特(Francois Englert);彼得·希格斯;傑拉爾德·古拉爾尼克、C·R·哈根和湯姆·基布爾。因此希格斯機制也被稱為Brout-Englert-Higgs機制,或Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble機制,Anderson-Higgs機制,Anderson-Higgs-Kibble機制,Abdus Salam的Higgs-Kibble機制和Peter Higgs的ABEGHHK機制(Anderson,Brout Englert, Guralnik, Hagen,Higgs,Kibble,and' t Hooft) 。

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在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)發現了一種新粒子,它似乎就是該理論所預測的長期尋找的希格斯玻色子之後,宣佈彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)獲得2013年諾貝爾物理學獎。


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