解读2016年诺贝尔物理学奖:什么是希格斯粒子

2013年诺贝尔物理学奖授予彼得·W·希格斯（PeterW.Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran.oisEnglert）,以表彰他们对希格斯玻（又称“上帝粒子”）所做的预测.那么,到底什么是希格斯玻呢?

希格斯粒子是一种亚原子粒子,也就是说,理论上认为它应当是构成宇宙的最基本组成部件之一.但是它仍然有待实验观测证实.科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在,其作用是解释为何其它粒子会拥有质量.根据这一理论,在宇宙大爆炸之后,一种看不见的力,即希格斯场和与之相对应的粒子——希格斯-玻一同形成.正是这个场赋予其它基本粒子以质量的属性.

为何这一粒子如此重要?

希格斯场赋予整个宇宙中其它粒子以质量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力来做比喻.如果粒子没有质量,它们便可以在宇宙中以光速前进,因为质量的本质便是对物体改变其速度的制约性.

这种粒子最早是什么时候被提出来的?

有关这一粒子的理论最早是在1964年由6位物理学家共同提出来的,其中就包括英国爱丁堡的皮特·希格斯（PeterHiggs）教授.他们当时提出这一粒子的目的就是为了解释质量的起源.

理论上,这一粒子的存在将正好补全描述整个宇宙如何运行的物理学标准模型的缺陷,因此它便显得尤其重要.

如何对其进行搜寻?

欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）是人类有史以来建造的最强大的粒子加速器,它的工作原理是将两束质子流以接近光速的速度迎头相撞,在此过程中得到其它粒子.

在1989年至2000年之间,科学家们也曾使用同样位于欧洲核子中心的另一台加速器LEP进行搜寻工作,而由于经费不足被关停之前,美国的Tevatron加速器也进行过对这一神秘粒子的搜寻工作.

科学家们如何能知道自己究竟是否发现了这样的粒子呢?

如果在LHC加速器中进行的数以十亿计的对撞实验中真的产生了希格斯-玻,根据预测,它应当是不稳定的,会迅速衰变为更加稳定,质量更小的粒子.物理学家们需要对这些衰变产物进行分析,并且通过分析来推断这种被称为“上帝粒子”的神秘粒子是否存在.在分析过程中,希格斯粒子是否存在会从数据图形的峰值中体现出来.

六点重大影响：

1.揭开质量起源之谜

物体的质量是怎么来的?这个问题一直困扰物理学界,而希格斯玻恰恰被认为与宇宙中一切物体的质量起源有关.希格斯玻与一种场有关,那就是所谓的希格斯场,理论上认为这种场充斥着整个宇宙.当宇宙中的其它粒子在这一场中运行时便获得了质量的属性.这就有点像是大家都在一个游泳池里游泳,然后身上都会被打湿,在这里,被水打湿就像是物体获得质量一样.

美国哈佛大学物理学家杰奥·哥斯达（JoaoGuimaraesdaCosta）表示：“希格斯粒子的机制让我们能够理解粒子获得质量的途径和方式.”哥斯达是去年欧洲核子中心宣布疑似希格斯粒子发现时,大型强子对撞机（LHC）所属ATLAS探测器设备的标准模型召集人.他说：“如果没有这种机制,那么所有的一切物体都将失去质量.”

确认此次发现的粒子确实是希格斯粒子将证明我们设想的粒子获得质量属性的方式是正确的.美国加州理工学院物理学教授玛利亚?斯皮罗普鲁（MariaSpiropulu）表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法,而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的.这是一项无与伦比的成就.”

而后,这将进一步为一个更深层次的问题提供解决的线索,那就是：为什么这些粒子拥有这一质量数值?这个值是如何确定的?对此,哈佛大学物理学家丽萨·兰德尔（LisaRandall）表示：“这是一个大得多的问题.确认这的确是希格斯粒子只是整个过程的第一步,此后我们才能更往前走,这两者之间是相互联系的.”

2.完善标准模型

标准模型是当代粒子物理学的基石,它描述了整个宇宙中所有的粒子.所有被标准模型所预言的粒子此前都已经被找到了,除了希格斯粒子.就在去年宣布初步结果时,欧洲核子中心ATLAS实验设备科学家乔纳斯·斯兰德伯格（JonasStrandberg）就曾表示：“这是标准模型中缺失的一环,因此如果这一发现得到最终确认,那么它将最终证明我们目前的认识是正确的.”

到目前为止,科学家们所发现的这一疑似希格斯粒子似乎和标准模型中预言的性质相吻合.但即便如此,标准模型本身也并不完整：例如它没有包括引力,也没有将被认为占据整个宇宙物质总量约98%的暗物质成分考虑进去.

美国费米国家实验室CMS中心的物理学家帕提·麦克布雷德（PattyMcBride）在上周四表示：“即便有证据清晰地证明目前我们新发现的这一粒子确确实实就是标准模型所预言的希格斯玻,即便如此我们对宇宙的认识仍然模糊不清.”他说：“我们仍然不能理解为何引力如此微弱,我们还要面对巨大的暗物质的存在.不过,对于这一已经有48年历史的经典理论来说,迈出了完善的第一步仍然不失为一件令人高兴的事.”

3.电弱相互作用

确认希格斯粒子还将对电弱相互作用的构建产生重要影响.这种作用是对电磁作用与弱相互作用的统一描述,这两者都是自然界的基本力类型之一.电磁作用描述带电粒子之间的相互作用,而弱相互作用则描述放射性衰变过程.

自然界中所有力的作用都和某种粒子有关.比如与电磁力有关的粒子是光子,这是一种质量为零的特殊粒子.而弱相互作用力则和名为W和Z的玻有关,这两种粒子都拥有很高的质量值.而所有这些粒子的质量来源,便被认为是希格斯玻的作用造成的.

欧洲核子中心的斯兰德伯格表示：“如果引入希格斯场的概念,那么W和Z玻就会和这个场混杂在一起,在这一过程中它们便获得了质量.”他说：“这解释了为何W和Z玻会有质量,并将电磁作用和弱相互作用两种基本力统一了起来,构成电弱相互作用.”4.超对称理论

超对称理论也将受到希格斯粒子发现的影响.这一理论认为任何一种已知的粒子都有一个“超级伙伴”粒子,这种伙伴粒子拥有轻微差异的性质.超对称理论拥有很大的吸引力,因为它可以统一自然界中的其它基本作用力,甚至有希望揭开暗物质构成之谜.然而到目前为止这一理论的前景黯淡,科学家们只找到了和标准模型预言的希格斯粒子性质极其相似的粒子,但是却没有能发现任何和超对称粒子有关的线索.

5.大型强子对撞机

大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器.这一耗资约100亿美元的设备率属于欧洲核子研究中心（CERN）,其目的是创建地球上能级最强大的粒子加速器设施.而其中找出希格斯玻则被列为了该设备的最优先目标之一.此次最新宣布的结果为LHC此前的结果提供了强有力的证明,也是对此前一直在这里为达成这一目标而忘我工作的物理学家们所取得丰硕成果的最好证明.

斯皮罗普鲁在去年的一份声明中表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法,而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的.这是一项无与伦比的成就.”他说：“科学家们已经等待了整整一代人的时间,为的就是这一刻.来自全世界各地大学和研究机构的粒子物理学家,工程师和技术人员们已经为了达成今天的这一成就奉献了数十年的辛勤工作.现在是时候让我们暂时停下脚步,回过头去审视这项发现的意义了,然后再继续进行海量的数据收集和分析工作.”

希格斯玻最早是在1964年由英国物理学家皮特·希格斯和同事们提出的.而这个名字的后半部分则是为了纪念杰出的已故印度物理学家和数学家玻色,他与爱因斯坦一同给出了玻的定义.玻是一类基本粒子,主要包括胶子和引力子等.其负责传递费米子之间的相互作用,如夸克,电子和中微子等等.费米子是宇宙中的另外一种基本粒子类型.

6.宇宙的命运

希格斯玻的确认将为科学家们开启一扇大门,让他们得以进行此前无法进行的一些计算.其中一些计算的结果有关宇宙的命运.有一种观点认为宇宙将在未来数十亿年内毁灭.

在进行这样的计算时,希格斯玻本身的质量是一个非常关键的参数,它预示了时空的未来命运.目前的测量值显示,希格斯玻的质量约为质子的126倍,这一质量值几乎已经处在了一个临界点上,它将有可能让宇宙在未来数十亿年内走向毁灭.

约瑟夫·林肯（JosephLykken）是美国费米国家实验室的物理学家,他表示：“计算的结果告诉我们,在数十亿年之后宇宙将可能面临灾难.”他说：“这或许意味着我们所生活于其中的这个宇宙本身存在着内在的不稳定性,在数十亿年之后这一切都将归于瓦解.”

基本粒子质量之源

若没有希格斯粒子,其他基本粒子就会仍以光速运行,宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤,不能组成物质,生命无从谈起.

希格斯粒子究竟是什么?为什么找到它如此重要?

早在2000多年前,人类便开始追问,我们所生活的世界是怎样形成的?从德谟克利特的“原子说”到如今被科学家普遍接受的标准模型理论,从朴素的形而上学概念到标准模型所预言的粒子陆续被证实,人类似乎越来越接近这一问题的答案.

在标准模型里,宇宙由62种不可再分的基本粒子构成,通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子,进而构成物质世界.

基本粒子可以分为两大类：自旋为半整数的费米子（fermion）和自旋为整数的玻（boson）.费米子是构成物质“实体”的粒子,也称之为物质粒子,而玻则传递基本相互作用,也可称为载力粒子.

然而在标准模型建立过程中,有一个问题却一直困扰着科学家：按照标准模型理论,基本粒子并没有质量,但实验结果却又清楚表明,除了光子以外的基本粒子都是有质量的.

1964年,希格斯等人提出了“希格斯机制”的概念,在理论上解决了这个问题.希格斯们认为宇宙间遍布“希格斯场”,基本粒子在与希格斯场的相互作用下获得了质量,而形成希格斯场的就是一种新的粒子,被命名为希格斯粒子.

根据对希格斯粒子性质的预言,希格斯粒子的自旋为零,是一种玻,所以又把希格斯粒子称为希格斯玻.

希格斯理论提出,在宇宙诞生的最初,并没有希格斯粒子的存在,其他的各种基本粒子都如光子一般,以光速横冲直撞.宇宙诞生十几秒后,希格斯粒子诞生,形成了“希格斯场”.除了光子,其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后,就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般,获得了质量,而速度就慢下来了.

慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下,抱团组成了质子、中子等粒子,质子和中子又组成了原子核,原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子,原子构成分子,由此形成了我们所见到的大千世界.

如果没有希格斯粒子,其他的基本粒子就会仍然以光速运行,不能聚合在一起,我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤,根本不能组成物质,生命也无从谈起.

希格斯玻的存在是希格斯机制的必然结果之一,检测若实验证实希格斯玻存在,则可给予希格斯机制极大的肯定.更重要的是,它的发现弥补了标准模型的缺漏,奠定了标准模型的基础.

由于希格斯粒子一直未被发现,这些重要的问题一直悬而未决.这个标准模型理论预言的最后一个粒子便一直成为科学家们苦苦追求的目标.

等等,万一希格斯理论被证明是错误的,希格斯粒子根本就不存在呢?

曾获诺贝尔奖的著名粒子物理学家莱德曼表示,如果这样,标准模型理论将被推翻,至少需要进行修改.他表示,“这就像哥伦布启程去寻找印度群岛一样,他和他的信徒们相信,如果没有达到目的,他也会发现一些别的东西,这些东西可能会更有意义.”

在这个意义上来说,很多科学家反倒有些失望,毕竟找到一个48年前就被预言了的“老粒子”多少有些无趣,他们期盼的是更为颠覆性的发现：检测如标准模型被推翻,整个物理世界的理论都有可能要重新改写.

寻找希格斯粒子历程艰难花费惊人

上帝粒子之所以取名为希格斯,是因为它是英国科学家彼得?希格斯（PeterHiggs）于1964年提出的（与他差不多同时提出希格斯这一机制的还有其他几个人,一旦希格斯粒子的存在最后被确认,他们将分享诺贝尔物理奖）.

寻找希格斯的工作早在上世纪90年代的LEP对撞机上就开始了.LEP似乎看到了希格斯的小尾巴,可惜LEP对撞机由于要让位于LHC的修建而过早关闭了,从此便与希格斯擦肩而过（现在看来,LEP的能量再提升一点就有能力看到希格斯了）.

接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机,这一领世界近20年的对撞机也对希格斯进行了大力追捕,也模模糊糊看到了希格斯的娇容,可惜这一对撞机正值壮年就被关闭了（被关闭的原因是在能量和亮度两方面都竞争不过欧洲人的LHC对撞机）.

其实在LHC建造之前,美国人已经开始建造超级超导对撞机SSC,按照设计它将是真正的巨无霸对撞机,其能量比LHC还要高3倍,目标也是寻找希格斯.可惜,SSC由于花费惊人（被称为“吞噬金钱的无底洞”）而被美国国会终止了,已经挖好的地洞也被填平（很多第三世界国家的人为此叹息,这些花巨资挖的地道可以作防空洞或地道战用啊）.

但是,欧洲人并没有因此而停顿建造LHC的步伐,欧共体成员国共同出钱如期完成了LHC工程（世界上其他大国包括中国在内,也不同程度地出了钱）.LHC对撞机是人类历史上投资最大的科学研究机器,造价高达100亿美元,这一人类历史上最高能量对撞机的主要目标就是寻找上帝粒子——希格斯.由于LHC涉及到几十个国家和几百个大学,它的发言人在7月4日的发布会做最后总结时说,LHC是全球的力量、全球的成功.（新浪）