認識上帝粒子
希格斯玻色子(英語:Higgs boson)是粒子物理學的標準模型所預言的一種基本粒子。標準模型預言了62種基本粒子,希格斯玻色子是最後一種有待被實驗證實的粒子。希格斯玻色子是以物理學者彼得·希格斯命名,由於對於基本粒子的基礎性質扮演極為重要的角色,因此在大眾傳媒中又被稱為「上帝粒子」。希格斯玻色子是一種具有質量的玻色子,[註 1]沒有自旋,不帶電荷,非常不穩定,在生成後會立刻衰變。
為什麼有些基本粒子具有質量,而有些基本粒子的質量為零?標準模型的希格斯機制可以解釋這問題。根據希格斯機制,希格斯場遍佈於宇宙,有些基本粒子因為與希格斯場之間交互作用而獲得質量,但同時也會出現副產品希格斯玻色子。希格斯場就像是一池黐黏的蜜糖,黏著於尚未帶有質量的基本粒子。當這些粒子通過希格斯場的時候,會變成帶質量粒子。
希格斯玻色子的存在是希格斯機制的必然後果,是粒子物理學長久以來精心尋覓的對象,假若實驗證實希格斯玻色子存在,則可給予希格斯機制極大的肯定,特別是對於為什麼有些基本粒子具有質量這問題的解釋,也可以確定標準模型基本無誤。有些理論不需要假定希格斯玻色子的存在。這些理論稱為無希格斯模型(英語:Higgsless model)。假若希格斯玻色子被證實不存在,則物理學者可能會改聚焦於這些理論。
歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHC)從2010年初起就在尋找希格斯玻色子,費米實驗室的兆電子伏特加速器(Tevatron),直到2011年底停止運作前,也在進行類似實驗。有些理論建議,當能量高過1.4 TeV時,能夠生成基本粒子質量的任何機制必會出現。因此,物理學者預期,使用兩束3.5TeV粒子束對撞做實驗的LHC,應該能給出希格斯玻色子是否存在的明確證據。
2012年7月4日,CERN宣布LHC的緊湊渺子線圈探測到質量為125.3±0.6GeV的新玻色子(超過背景期望值4.9個標準差),超導環場探測器測量到質量為126.5GeV的新玻色子(5個標準差)。這兩個粒子極像希格斯玻色子,但還有待物理學者進一步分析來完全確定兩個探測器探測到的粒子是否為希格斯玻色子。
在粒子物理學裏,基本粒子和基本交互作用形成了宇宙世界。物理學者應用標準模型來解釋基本粒子獨自的物理行為與基本粒子彼此之間的基本交互作用。標準模型是一種被廣泛接受的框架,物理學者認為標準模型能夠合理解釋大多數發生於這世界的物理現象。最初在發展與驗證標準模型時,所倚賴的規範場論禁止基本粒子擁有質量,這很明顯地顯示出這初始模型不夠完全。1964年,有三組研究團隊幾乎同時地發表論文,描述怎樣使用對稱性破缺來賦予基本粒子質量,同時又不會與規範場論發生牴觸。這點子後來被稱為希格斯機制。物理學者已完成很多實驗確實偵測到這機制引發的許多種效應,但時他們不確切知道這機制到底是怎麼一回事。
希格斯機制是在所有解釋質量起源的機制之中最簡單的首選。希格斯機制假定宇宙遍佈著某種特別的場(稱為希格斯場),能夠與基本粒子交互作用,這交互作用的一個必然副產品就是尚未被發現的希子。假若希子被證實存在,則物理學者可以確定標準模型大致無誤;否則,物理學者會改聚焦於別種無希子的機制。
標準模型明確表示,希子很難證實。非常短暫時間內它就會衰變成別的粒子,由於迅不及耳,難以直接偵測,只能靠著辨認與分析衰變後的產物,來推斷它們大概是從希子生成,而不是從其它來源生成。製成希子需要極大能量。為了產生能量夠大的碰撞,必須建造超級粒子加速器。假若有先進的超級粒子加速器與精確的偵測器,物理學者就能觀測數之不盡的粒子碰撞事件,將獲得的紀錄數據加以分析,尋找希子的蛛絲馬跡,然後再進一步分析,計算希子存在的可能性,確定所得到的結果絕對不是來自偶發事件。
1980年代,物理學者開始做實驗研究希子是否存在,但直到2000年代為止,實驗結果只能指出希子可能或不可能存在的質量域。2008年,世界上最先進的粒子加速器設施大型強子對撞機(LHC)開始服役。它是特別為這實驗與一些超高能量實驗而量身打造。2010年,它開始測試主要研究目標:證實希子是否存在。
2011年底,LHC的兩個實驗,分別獨立地在質量為125GeV附近,開始偵測到希子可能出現過的跡象。2012年7月,CERN宣布發現新玻色子,符合期望的希子的質量與性質。但是,物理學者仍需要進一步檢驗,才能夠做出最終結論。假若新玻色子真的是希子,則物理學者會開始研究它的物理性質是否完全與標準模型現有版本的預測一致。CERN的實驗數據並不排除新玻色子不是希子的可能性,或者是另一種帶質量玻色子。假若新玻色子是另一種帶質量玻色子,則必需大幅度修改標準模型。
編輯者: 黃金戰虎 (2012-07-23 01:17:48)