物理学的“圣杯”：希格斯玻色子的简史

发表于 2年以前 | 总阅读数：626 次

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粒子物理学的标准模型预测，宇宙是由12个基本物质粒子、4种基本自然力和最后一个将所有粒子联系在一起的粒子--希格斯玻色子组成的。长期以来，希格斯玻色子粒子都是“拼图”中最后缺失的一块，这是个问题，因为没有它，其余的部分就没有意义了。

它的存在在20世纪60年代首次由其英国科学家彼得·希格斯预测，并由弗朗索瓦·恩格勒特和罗伯特·布鲁特的团队独立预测。这些物理学家一直在努力回答基本粒子如何获得其质量的问题，并计算出这是在它们与弥漫在宇宙中的量子场相互作用时发生的。这个模型预测，所谓的希格斯场（Higgs field）也会产生自己的粒子，希格斯玻色子的概念由此诞生。

预测它是一回事，但真正找到它是另一回事。该模型表明，希格斯玻色子几乎会瞬间衰变为其他粒子，这给了科学家们一个观察它的非常小的窗口。更糟糕的是，该粒子的质量可能在10到1000GeV之间。因此，几十年来，人们一直认为这种搜索是不可能的。

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直到20世纪80年代，技术才最终跟上。物理学家们意识到，希格斯玻色子可以通过将粒子高速撞击在一起而产生，虽然它们会迅速消失，但通过观察产生的粒子，可以发现它们的特征，即希格斯可能衰变成的粒子。

即使有了一系列功率越来越大的粒子对撞机，希格斯玻色子在接下来的几十年里仍然没有被发现。不过，这并不是完全的失败--每一个无效的结果都有助于缩小可能的质量范围，因此在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）的早期，质量范围缩小到115至130 GeV之间。

人们的注意力特别集中在125GeV附近，LHC团队在那里注意到了与希格斯玻色子一致的过量事件。欧洲核子研究中心预计，到2012年底，这些数据将"肯定会给出一个答案"--一劳永逸地确认希格斯玻色子的存在或不存在。

果然，2012年7月4日，粒子物理学家宣布了希格斯玻色子的历史性发现。来自欧洲核子研究中心的两个独立团队ATLAS和CMS的数据，在同一个结论上趋于一致--他们发现了一个质量约为125.3GeV的新粒子和其他一些类似希格斯玻色子的特性。

进一步的实验证实了这是人们长期寻找的希格斯玻色子，为彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特赢得了2013年诺贝尔物理学奖。

尽管这一宣布在当时是令人兴奋的，但经常有报道说希格斯玻色子从那时起变得相当“无聊”，因为它并没有公布任何疯狂的新物理学。那么，在发现希格斯玻色子后的十年里，它都在做些什么？

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在最初的几年里，科学家们仔细研究了这种新粒子，以检查它是否具有标准模型所预测的所有属性。例如，它的自旋需要为零，而且它与粒子耦合的方式需要与它与反粒子耦合的方式完全相同。事实证明，两者都与模型的预期相符。

大型强子对撞机实验还证实了希格斯玻色子的主要预测之一--标准模型中的其他粒子通过与希格斯场相互作用而获得其质量。这反过来又证实了希格斯粒子在一些基本力量中的作用--例如，如果希格斯玻色子不存在，我们就需要对诸如为太阳提供动力的核聚变反应做出新的解释。

在大型强子对撞机的第二次运行期间，产生了大约800万个希格斯玻色子，ATLAS和CMS团队最近发布了基于这些数据的新研究。这包括它从不同过程中产生的频率，它衰变成哪些其他粒子和频率，以及它与其他粒子的相互作用有多强。在科学家们对它进行的几乎每一次实验中，希格斯玻色子都符合标准模型的预测。

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尽管到目前为止，希格斯玻色子与标准模型的吻合度相当高，但更详细地研究希格斯玻色子可能是科学家们揭开这个框架之外的物理学的门票。

以暗物质为例。证据表明，这种神秘的物质弥漫在宇宙中，并以其强大的引力影响将星系和星团等结构固定在一起。到目前为止，它还没有通过实验被直接探测到，主要是因为暗物质很少与常规物质发生相互作用--但是有一个机会，希格斯玻色子与暗物质发生相互作用的方式可能最终使其被探测到。

希格斯粒子的新测量结果提出的另一个奇怪的难题是，宇宙可能并不像它看起来那样稳定。它目前可能存在于所谓的假真空状态，但在任何时候，宇宙--或它的大部分--都可能突然坍缩成一个真正的真空状态。这可能会完全消除所有物质，或者如果科学家们幸运的话，它可能只是改写了自然法则。

宇宙仍然存在的事实表明，由于其他未知力量的作用，它比科学家们的模型显示的更稳定。希格斯玻色子可以帮助科学家们揭开这些力量。

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它还可能为另一个长期存在的谜团提供新的线索，即为什么宇宙很久以前没有自我毁灭。科学家们目前的模型表明，大爆炸产生的物质和反物质应该是等量的，但如果是这样的话，所有的物质都会在数十亿年前发生碰撞并湮灭。这显然没有发生，表明由于某种未知的原因，创造的物质比反物质多出一部分。希格斯粒子可以帮助科学家们们弄清是什么让“天平”向我们倾斜。

这些深刻问题的答案可能就在眼前。7月初，大型强子对撞机启动了第三次运行，其能量比以前更高。而在2029年，该设施将作为高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）开始新的探索，在一次重大的技术升级之后，将比以往任何时候都更深入地探索物理学。希格斯玻色子将是这些实验中的一个核心内容。