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希格斯玻色子的发展以及发现历程,颇为波折

2023-01-27 09:37:53 来源:盘龙历史网

  十年前,科学家宣布发现了希格斯玻色子,这有助于解释为什么基本粒子(自然界最小的建筑块)具有质量。对于粒子物理学家来说,这是长达几十年的艰难旅程的结束——也可以说是该领域历史上最重要的成果。但这一结束也标志着实验物理学新时代的开始。

希格斯玻色子的发展以及发现历程,颇为波折.jpg

  在过去十年中,对希格斯玻色子性质的测量证实了粒子物理学标准模型(我们对粒子的最佳理论)的预测。但这也对这一模型的局限性提出了质疑,比如是否有更基本的自然理论。

  物理学家彼得·希格斯在1964年到1966年间的一系列论文中预测希格斯玻色子是赋予基本粒子质量的机制的必然结果。这一理论表明,粒子质量是基本粒子与被称为希格斯场的场相互作用的结果。根据相同的模型,这样的场也应该产生一个希格斯粒子——这意味着如果希格斯玻色子不存在,这将最终证伪整个理论。

  但是很快就清楚了,发现这种粒子将是具有挑战性的。当三个理论物理学家计算希格斯玻色子的属性时,他们以道歉结束。“我们向实验主义者道歉,因为我们不知道希格斯玻色子的质量是多少……也不确定它与其他粒子的耦合……出于这些原因,我们不想鼓励对希格斯玻色子的大规模实验搜索。”

大型强子对撞机:欧洲核子研究中心的原子粉碎机内部.jpg

  直到1989年,第一个极有可能发现希格斯玻色子的实验才开始寻找。这个想法是用如此高的能量将粒子撞在一起,以至于在瑞士日内瓦的欧洲核研究组织(法语缩写为CERN)的17英里长(27公里)的隧道中可以产生一个希格斯粒子——这是有史以来最大的电子-正电子(正电子几乎与电子相同,但电荷相反)对撞机。它运行了11年,但它的最大能量被证明只低了5%,不足以产生希格斯玻色子。

  与此同时,美国历史上最雄心勃勃的对撞机Tevatron已经开始在芝加哥附近的费米实验室采集数据。Tevatron碰撞质子(与中子一起构成原子核)和反质子(几乎与质子相同,但电荷相反),其能量比在日内瓦获得的能量高五倍——当然,足以产生希格斯粒子。但是质子-反质子碰撞会产生大量碎片,使得从数据中提取信号变得更加困难。2011年,Tevatron停止运行——希格斯玻色子再次逃脱检测。

  2010年,大型强子对撞机(LHC)开始用比Tevatron多七倍的能量来碰撞质子。最后,在2012年7月4日,欧洲粒子物理研究所的两个独立实验各自收集了足够的数据,宣布发现了希格斯玻色子。第二年,希格斯和他的合作者弗朗索瓦·恩格勒特(Fran? ois Englert)获得了诺贝尔奖,“因为理论上发现了一种机制,这种机制有助于我们理解亚原子粒子的质量起源。”

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