被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子是什么?

2012年7月,物理学界有了重大发现,物理学家终于解开了困扰他们40多年的谜团。当大家兴奋地握手庆祝时,一位老人哭了。是彼得吗?希格斯。他预言了一种新的基本粒子,即标准物理模型中基本粒子族的必要补充,最终被证明是正确的。

希格斯玻色子的发现尤其令人兴奋,因为它被吹捧为“上帝粒子”。但是为什么它会有这么一个耸人听闻的外号呢?

自然的力量如果说社交媒体教会了我们什么,那就是一种文化中的思想会成倍地传播,但误解也会如此。在不知道来龙去脉的情况下,即使是喜剧似乎也会变成悲剧。上帝粒子的发现最终证明上帝真的存在了吗?

如果你在和物理学家交谈时说出“上帝粒子”这个词,不要感到惊讶,他或她会苦着脸反驳道。令物理学家懊恼的是,这个词现在不可避免地与粒子纠缠在一起。这对于物理学家来说是不必要的夸张。彼得。希格斯更愿意称之为物理学中最想要的粒子。但是为什么我们这么想找到它呢?

标准模型中的基本粒子可以分为费米子和玻色子。费米子是组成物质的粒子,而玻色子是在物质之间传递力的粒子。20世纪50年代末,科学家证实物质和辐射可以同时显示粒子和波的行为。这就是所谓的波粒二象性。

因此,每个粒子都与该粒子“携带”的相应场或扰动相关联。

比如两个磁铁之间的斥力和引力就是电磁力,但是你可能不知道这个磁场是光子携带的,它的粒子模拟。虽然我们可以从磁铁的运动中检测到磁场,但我们不能对携带它的粒子说同样的话。这是因为动力粒子或玻色子是不可见的或虚拟的。

标准模型描述了自然界四种基本力中的三种。按照力的大小顺序,可以分为与原子核结合并由胶子携带的强场,电子携带的最常见的电磁场,以及引起β衰变和核聚变反应的W、Z粒子携带的弱场。

一个叫做引力子的假想粒子被认为携带着引力,这是第四种基本力,但每次我试图将其纳入模型,完成这个谜题,结果都失败了。对于物理学家来说,不能在一个整体中包含所有东西一直是沮丧的来源。

追求对称性的物理学家渴望确定性,他们希望拥有预测和见证事件逐渐清晰的能力。标准模型允许我们描述原子核大小千分之一的粒子的行为,但他们仍然不满意。

在这些力量中,有明显的不对称性。电磁的范围是无限的,但弱相互作用力的范围不是无限的。物理学家认为存在一种对称性,存在一种比所有四种基本力都更基本的力。他们认为这四种力量是从一条河流中分裂出来的三角洲流。所以所有不同的力都是力量的一种表现,这是大爆炸之后出现的第一种力。

虽然目前不考虑重力,但我们希望达到对称,或者把剩下的三个力结合成一个我们称之为GUF的力。但是这样的对称只有在大能量或者大统一能量中才能见证,大统一能量是大爆炸后产生的一种能量。

为了探测GUF,我们需要一个像太阳系一样大的粒子加速器!所以物理学家认为最起码可以做到的是把电磁力和弱力结合成“电弱力”。他们希望未来几年开发的粒子加速器足够强大,能够探测到“弱电”。

弱力不像电磁力那样到处散射的原因是弱粒子和光子不一样,它们很大。因为他们的素质使他们停滞不前,不会到处走动。20世纪60年代末,史蒂文?温伯格成功地将这两种理论结合起来,创立了电弱理论。他首次预言了W和Z粒子,并计算了它们的质量。16年后,欧洲核研究组织(CERN)成功探测到它们,发现它们的质量约为一个质子的100倍,与温伯格最初的预测相差不大。

弱粒子的发现是历史性的,但是我们的研究还没有完成。只有解释了是什么导致了不对称和大量的力粒子,才能建立完整的电弱理论框架。

讨厌的粒子彼得?希格斯提出了一种新的基本力场的存在,这是一种会给弱场粒子注入质量的相互作用。无处不在的力场最终被称为希格斯场,与之相关的粒子被称为希格斯玻色子。希格斯认为W和Z粒子会干扰这个场,产生质量,而光子会以不同的方式快速穿过,不会产生任何质量。

令人惊讶的是,希格斯场不仅产生力粒子的质量,还产生物质粒子。虽然物质扰动希格斯场的机制不同,但这意味着如果没有希格斯场,就不会有质量。没有质量,质子不会停止、聚集并形成物质,而是以光速穿越空间。没有它,我们就不会存在。所以希格斯玻色子的发现确实非常重要。

但是,如果没有证据,一个理论就是推测。希格斯玻色子是出了名的难以捉摸,探测希格斯场所需的能量比普通加速器提供的能量大得多。此外,更大的能量会带来更大的风险和成本。没人能保证更大的加速器能探测到它。如果所有的努力、高昂的费用和不可挽回的时间最终都变得毫无价值怎么办?

二十年后,物理学家仍然一无所知。1993年,美国物理学家利昂·莱德曼和迪克·特雷西写了一篇文章《上帝粒子:如果宇宙是答案,那问题是什么》有趣的是,原标题是《天杀的粒子》,反映了近20年来物理学家找不到它的巨大挫败感。但是出版社不同意,然后作者就把这个词砍成了“上帝”。结果名字就卡在上面了。像一只负责任的寄生虫,似乎不会很快离开。

曲解被曲解,阴谋随之而来。当大型强子对撞机(LHC)在2005年开始开发时,神秘的情节到处流传。有人认为物理学家打开了地狱之门。

物理学家通过研究高速粒子碰撞中分散的碎片,发现了新的更小的基本粒子。这类似于通过检查从建筑物顶部掉落的碎片来研究电视机的内部结构。2012年,人类有史以来建造的最强大的粒子加速器LHC以接近光速的速度与质子发生碰撞,最终找到了寻找已久的希格斯玻色子。原来是藏在里面的。

希格斯场的发现只是开始。我们推测,这个领域的许多“版本”最终不仅是对称的,而是所谓的超对称,这是一个扩展的标准模型,有望填补剩余的空白。这其中也包括暗物质的构成,目前看来比希格斯场更难理解。

不管是不是上帝粒子,这个发现都是突破性的,也许是我们短暂历史中最重要的发现之一。我们的祖先带着棍子出发,但最重要的是,带着好奇心,他们沿着潮湿的砾石追踪水点寻找溪流,爬上悬崖,顺着溪流寻找池塘。现在我们努力追踪这四条河流。

在这段时间里,我们锻造了一些工具,正如英国科幻作家亚瑟·克拉克所说,它们与魔法无异。很快,我们将沿着河流到达最后的“大河”,把我们的木棍固定在它旁边的地上,回顾我们史诗般的朝圣之旅。然后我们可以停止对“如何”的好奇,开始思考“为什么”。