希格斯眼中的上帝粒子解讀

1、希格斯眼中的上帝粒子歐洲核子中心大型強子對撞機的ATLAS探測器獲得了數(shù)據(jù)的模擬粒子路徑圖。（鳳凰科技配圖）如果把物質(zhì)分割得越來越小，會發(fā)生什么？最終，你會得到構(gòu)成物質(zhì)的分子或者原子。但這些東西還能進(jìn)一步分解成電子和原子核。而原子核又可以繼續(xù)被分割成構(gòu)成它們的質(zhì)子和中子。它們的內(nèi)部則是夸克。到了這一步，你就已經(jīng)抵達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)模型（我們當(dāng)前的粒子物理學(xué)理論）之中，我們視為是基本的那一層面。不管你一開始分割的是什么物質(zhì)，到了這個地步，你都會得到

2、一大堆夸克和一大堆電子之類的粒子。夸克事實上還可以分成6種：構(gòu)成質(zhì)子和中子的是較輕的上夸克和下夸克，另外還有較重的奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。電子則屬于另外6種粒子構(gòu)成的另一個家族，即輕子：包括電子的兩種質(zhì)量更重的“表親”——μ子和τ子，以及與它們一一對應(yīng)的3種幾乎沒有質(zhì)量的中微子。所有這12種物質(zhì)粒子，被統(tǒng)稱為“費米子”，都各自擁有一種與它們完全相同、只是電荷相反的反物質(zhì)粒子。就是這樣了。物質(zhì)不可能再分割到比這些基本粒子更小了。如

3、此簡潔的基本粒子組合，與實驗事實完美吻合，但其中隱藏著一個令人費解的難題。所有這些物質(zhì)粒子都有一個屬性，被稱為“質(zhì)量”——這是一種抗拒被移來移去的屬性。不同粒子的質(zhì)量各不相同，從質(zhì)量最輕的電子中微子到質(zhì)量最重的頂夸克，跨越超過11個數(shù)量級之多。這些質(zhì)量來自何方，為什么又如此千差萬別呢？破缺的對稱在標(biāo)準(zhǔn)模型之中，構(gòu)成物質(zhì)的費米子通過作用力發(fā)生相互作用，而作用力是由另一大類被稱為“玻色子”的粒子傳遞的。以電磁力為例，是它使得原子能夠形成，驅(qū)

4、動電流在我們的電器中奔騰，而傳遞電磁力的玻色子則是光子。光子與物質(zhì)的相互作用取決于電荷的多寡：電子（攜帶1個負(fù)電荷）感受到的電磁力，就要強于夸克（攜帶或者個電荷）。不帶電荷的中微子，根本感受不到電磁力?？淇诉€擁有各自的“色荷”，被稱為膠子的粒子依據(jù)色荷產(chǎn)生強核力。這種力要比電磁力強得多，但奇怪的是，膠子本身也攜帶色荷，因而會彼此粘黏在一起。于是，我們從未見到過夸克和膠子以游離態(tài)的形式自由自在地漫游，只能在質(zhì)子和中子之類的粒子內(nèi)部才能看到

5、它們——強核力的作用范圍也不會超出亞原子尺度的范疇。間也絕非空無一物。在空間中穿行的粒子或多或少會與這個場發(fā)生作用，這種作用使粒子在運動時產(chǎn)生了一種“粘黏”的特性，也就是質(zhì)量。W玻色子和Z玻色子通過與這個場的某種相互作用獲得了它們的質(zhì)量，費米子則通過另外一種相互作用獲得了質(zhì)量。由于希格斯場不攜帶凈的電荷或者色荷，光子和膠子根本不與它發(fā)生作用，因此仍然沒有質(zhì)量。這是個漂亮的花招。為了找出還有沒有更多的東西，我們需要曝光希格斯場，方法就是讓

6、它產(chǎn)生漣漪，而那些漣漪會被我們看成為希格斯玻色子。理論和實驗的發(fā)展讓我們對所需的能量有了一個很好的估計：希格斯玻色子的質(zhì)量必定介于大約100GeV到400GeV之間。我們需要找一個相當(dāng)巨大的機器才行。新粒子現(xiàn)身希格斯玻色子是短命的粒子，幾乎會在一瞬間就衰變成其他粒子。為了推斷出它的存在，我們必須測量這些衰變產(chǎn)物，尋找它們是從一個希格斯粒子衰變而來的證據(jù)。幸運的是，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言出了我們需要知道的、有關(guān)希格斯玻色子的一切——除了它確切的質(zhì)量

7、。對于每一個可能的質(zhì)量，我們能夠預(yù)言大型強子對撞機（LHC）中能夠產(chǎn)生的希格斯粒子的數(shù)量，并且預(yù)言它們會衰變成什么。例如，希格斯粒子有時應(yīng)該會衰變成一對高能光子。由于粒子衰變時動量守恒，這兩個光子的動量就可以換算為產(chǎn)生這兩個光子的粒子的質(zhì)量。許多現(xiàn)象都會產(chǎn)生一對光子，但如果我們專注于那些看上去像是希格斯玻色子產(chǎn)生的光子，然后把它們的動量繪制在一張圖表上的話，在對應(yīng)于特定質(zhì)量的動量數(shù)值上就會出現(xiàn)一個“鼓包”——某種未知的粒子就會以這樣的形

8、式顯現(xiàn)出來。ATLAS和CMS都在質(zhì)量相當(dāng)于大約125GeV的位置上看到了這樣的鼓包。2012年7月4日，他們向全世界宣布了這一結(jié)果。這并不是唯一的證據(jù)。希格斯玻色子還應(yīng)該會衰變成兩個Z玻色子，然后再進(jìn)一步衰變成兩個輕子。把這些輕子的動量加在一起，在光子數(shù)據(jù)中相當(dāng)于同樣質(zhì)量的位置上，也產(chǎn)生出了一個峰值。W玻色子也提供了它們的證據(jù)。這些粒子衰變成為中微子，后者還沒有被檢測到，因此在這個實驗中還沒有出現(xiàn)明確的質(zhì)量鼓包。相反，我們只看到了更多