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上帝粒子概述
上帝粒子即希格斯玻色子，希格斯玻色子(或稱希格斯粒子、希格斯子Higgs boson)是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實驗中觀察到。它也是標準模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學家希格斯提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起自發(fā)對稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。2012年7月2日，美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布，該實驗室最新數(shù)據(jù)接近證明被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。
研究背景
英國物理學家希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起電弱相互作用的對稱性自發(fā)破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范玻色子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場 量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，簡稱LHC)將有機會發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。
希格斯玻色子被認為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼對希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個粒子物理學界研究的中心，萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。
自1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開始，直至如今，在一個多世紀的時間里 ，人類一直孜孜不倦的探索著微觀
1995年3月2日，美國費米實驗室向全世界宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時，一套稱之為標準模型的粒子物理學模型所預言的62個基本粒子中的61個都已經(jīng)得到了實驗數(shù)據(jù)的支持與驗證，看上去標準模型馬上就要獲得決定性的勝利，對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達了它的尾聲，似乎人類也馬上就要聽到這一跌宕起伏的，充滿了高潮與華彩的探索樂章的終曲，但是仍然有一個粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個幽靈，這就是希格斯粒子，而且就是這個粒子可能會擊垮整座大廈。但是也許會為我們揭示出一條全新的探索旅途。就讓我們先來回顧一下上個世紀中期以來粒子物理學的發(fā)展歷史，以及現(xiàn)在處于主流的標準模型理論。
科學家發(fā)現(xiàn)疑似上帝粒子：物質(zhì)為何有質(zhì)量
英國科學技設施委員會行政長官約翰-沃默斯利在倫敦舉行的一個發(fā)布會上表示：“我可以證實，一個粒子已被發(fā)現(xiàn)，這個粒子與希格斯玻色子理論所描述的粒子是一致的?！?/p>
尋找希格斯玻色子的兩個小組中的一個小組的發(fā)言人喬-因坎迪拉在日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心對人們說：“這是一個初步的結(jié)果，但我們認為這個結(jié)果非常強，非常堅實?！?/p>
希格斯玻色子是一種亞原子粒子，理論上認為它應當是構(gòu)成宇宙的最基本組成部件之一，被認為是物質(zhì)的質(zhì)量之源。由于它難以尋覓又極為重要，因此被稱為“上帝粒子”。
希格斯玻色子的理論最早是在1964年由6位物理學家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的皮特·希格斯(Peter Higgs)教授。他們當時提出這一粒子的目的就是為了解釋為何其它粒子會擁有質(zhì)量。根據(jù)這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場和與之相對應的粒子——希格斯-玻色子一同形成。正是這個場賦予其它基本粒子以質(zhì)量的屬性。
理論上，希格斯玻色子的存在將正好補全描述整個宇宙如何運行的物理學標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。對于今天的結(jié)果，CERN總監(jiān)羅夫·霍雅(Rolf Heuer)說：“今天是人類自然觀的一個里程碑。疑似希格斯波色子的發(fā)現(xiàn)，使我們有機會進行更加詳盡的研究，也對統(tǒng)計規(guī)模提出了更高要求，以確定新粒子的性質(zhì)，使探索宇宙的其他秘密獲得一縷曙光。”
上帝粒子接近發(fā)現(xiàn)：誤差率0.00006%
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7月4日，英國科學家彼得·希格斯出席研討會。
全球物理界沸騰了。追尋將近半個世紀后，昨日，位于日內(nèi)瓦的歐洲原子核能中心向全球宣布，找到一種新亞原子粒子，這種粒子與之前預言構(gòu)成質(zhì)量的“上帝粒子”、即希格斯玻色子(可簡稱希格斯子)特征“一致”。
若最終確定此次發(fā)現(xiàn)的新亞原子粒子就是希格斯玻色子，那么粒子物理學中缺失的重要一環(huán)將會填補，支撐現(xiàn)代物理學的奠基性理論標準模型距離將被驗證，萬物質(zhì)量來源之謎或可解開。
意義
“成就堪比登月”
歐洲原子核能中心(CERN)有著世界上最大的實驗裝置——大型強子對撞機(LHC)，其橫跨法國和瑞士，這個長達28年之久，造價達幾十億歐元的龐大地下裝置，最主要的目的是為了尋找被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子。
日內(nèi)瓦昨日9時，歐洲原子核能中心通過網(wǎng)絡向全球播放其最新進展的研討會。研討會上，兩座各自獨立的實驗室遞交了最新報告，均展示了一種新粒子存在的強有力證據(jù)。
CERN主席豪威爾說：“我們有了個‘發(fā)現(xiàn)’……我們觀測到了一種新粒子，符合希格斯子的條件。不過到底是什么粒子，問題仍待回答。”
現(xiàn)場最重量級的是四個物理學理論家，其中三個人完善了標準模型理論，另一個人彼得·希格斯則創(chuàng)建了這個理論，標準模型中最后一個粒子以他命名。昨天臺下就座的希格斯流下熱淚。
發(fā)布會現(xiàn)場，英國物理學會主席彼得·奈特說，此次LHC的成就與發(fā)現(xiàn)DNA和登陸月球相當。利物浦大學粒子物理系主任瑟密斯·布考克則稱，對于物理學家來說，這次發(fā)現(xiàn)就像哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸。
展望
是否為希格斯子需確認
“雖然是初步結(jié)果，但5標準差和125吉電子伏特的結(jié)果讓我們確信，這是一個新粒子，”昨日，實驗室發(fā)言人喬·因坎代拉說，“我們確認，它必須是一種玻色子，而且是我們迄今為止發(fā)現(xiàn)的最重的玻色子。這一發(fā)現(xiàn)意義重大……我們必須極其努力地繼續(xù)研究與反復核校?！?/p>
在墨爾本觀看了視頻的中科院高能物理研究所院士陳和生則說，希格斯等距離諾貝爾獎不遠了。陳和生表示，目前還需要進一步確定發(fā)現(xiàn)的是希格斯玻色子。CERN現(xiàn)在打算全力以赴地在今年之前給出最終答案，明年大型強子對撞機就將進入兩年的大修期。
根據(jù)計劃，此次研究的正式結(jié)果將在7月底在學術(shù)期刊上發(fā)表。陳和生表示，屆時，論文作者將是參與了所有兩個實驗項目的科學家，共3000多人，其中，也有六七十人是參與合作的中國科學家。
彼得·希格斯
有關(guān)希格斯子的理論最早是在1964年由6位物理學家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的彼得·希格斯教授。他們當時提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。理論上，這一粒子的存在將正好補全描述整個宇宙如何運行的物理學標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。
聲音
大家都非常激動。我從學生開始做到現(xiàn)在，都在尋找希格斯子，也從來沒有這么激動的時候。
——華人科學家錢劍明
居里夫人發(fā)現(xiàn)原子核的時候，人們也不知道后來會有核武器、核發(fā)電，還可以用來治病……人類想搞清楚自然界規(guī)律，就是一種好奇心，對真理的追求，我們不能要求科學研究一定馬上要有用，但從歷史經(jīng)驗來看，科學物理學研究的成果會轉(zhuǎn)變成巨大的生產(chǎn)力。
——中科院高能物理研究所院士陳和生
■ 釋疑
如何知道發(fā)現(xiàn)了上帝粒子?
如果在LHC加速器中進行的數(shù)以十億計的對撞實驗中真的產(chǎn)生了希格斯玻色子，根據(jù)預測，它應當是不穩(wěn)定的，會迅速衰變?yōu)楦臃€(wěn)定，質(zhì)量更小的粒子。物理學家們需要對這些衰變產(chǎn)物進行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。
新發(fā)現(xiàn)為何還需確認?
在分析過程中，希格斯玻色子是否存在會從數(shù)據(jù)圖形的峰值中體現(xiàn)出來。然而即便科學家們發(fā)現(xiàn)了這樣的峰值，他們也不能就此宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，只有當他們確認這一信號是統(tǒng)計誤差的概率低于一定標準時才能比較有把握地宣布發(fā)現(xiàn)結(jié)果。
歐洲核研究組織在昨日的聲明中說，兩座各自獨立的實驗室都發(fā)現(xiàn)了這種亞原子粒子，質(zhì)量范圍在125至126吉電子伏特之間。兩家實驗室都宣布，數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計確定性為5西格瑪，或5標準差。
5西格瑪，換算成統(tǒng)計誤差率，大約為0.00006%。在粒子物理學界，若要證實某一發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計確定性需要達到5標準差;若要作為證據(jù)，統(tǒng)計確定性必須達到3標準差。所以現(xiàn)在說是“接近發(fā)現(xiàn)”。
若證實并不存在會怎樣?
如果實驗確認這樣的粒子實際上并不存在，那么現(xiàn)有的標準模型將需要徹底改寫，而我們對于宇宙的認識也將發(fā)生革命性的改變。
昨日，澳大利亞阿德萊德大學物理學家安東尼·托馬斯說：“在過去40多年里，人們一直在尋找希格斯玻色子。如果不是它，全世界所有理論學家都得絕望地退回到原點?！?/p>
歐洲核研究組織物理學家伊夫斯·西羅伊斯說：“發(fā)現(xiàn)的那個粒子也許不是希格斯玻色子，而是一種比希格斯玻色子大很多的粒子，那么，它也會打開一扇門，開啟一套比‘標準模型’走得更遠的新理論?！?(金煜 仲玉維)
“上帝粒子”對人類意味著什么
“上帝粒子”若確實存在，將使得科學家解釋世界的一種假說有可能得到證實。
據(jù)報道，歐洲核子研究中心的科學家4日表示，他們在尋找希格斯粒子、也就是所謂的“上帝粒子”的研究過程中發(fā)現(xiàn)了一種新型亞原子粒子，該粒子符 合希格斯粒子的屬性。而美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室項目發(fā)言人羅布·羅澤說：“我們的數(shù)據(jù)有力地顯示希格斯粒子的存在?！?/p>
科學家宣布發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的存在意味著，科學家解釋世界的一種假說將有可能得到證實。
要理解“上帝粒子”，不妨回憶一下牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事。盡管研究人員已經(jīng)證明，蘋果并沒有砸中牛頓腦袋，但是牛頓卻看見了一個蘋果掉了 下來。牛頓思考的是，為什么蘋果會垂直地掉到地上?一定是有什么在拉它，比如是地球的引力在拉它。而地球拉蘋果說明蘋果是有質(zhì)量的。
那么，物體的質(zhì)量從何而來?在牛頓故去后的400年，英國愛丁堡大學物理學家希格斯猜想：有一種粒子賦予其他粒子質(zhì)量。他于1964年提出，在 137億年前的大爆炸中，希格斯粒子使物質(zhì)得到質(zhì)量，萬有引力則將質(zhì)量變成重量，使恒星和行星都得以誕生，最終孕育生命。如此，也解釋了為何蘋果會掉到地 上。
“上帝粒子”只不過是科學家用以解釋世界的一種理論或假說。過去，科學家已經(jīng)指出，支配物質(zhì)運動的不僅僅有我們?nèi)粘Ｉ钪心軌蚋惺艿降闹亓碗姶帕?，還有我們?nèi)粘Ｉ钪袩o法感受的“強力”和“弱力”。
20世紀60年代，物理學家們構(gòu)造出了一個標準模型來解釋世界，標準模型主要描述了強力、弱力及電磁力這三種基本力以及所有基本粒子的構(gòu)成機 制。標準模型預言有61個基本粒子，其中有60個都已經(jīng)得到了實驗數(shù)據(jù)的支持與驗證，現(xiàn)在人們也已聽到最后的一個基本粒子——希格斯粒子的腳步聲。
如果發(fā)現(xiàn)或找到了這種粒子，那就意味著質(zhì)量是物質(zhì)與希格斯粒子的相互作用的結(jié)果。但是，即便科學家找到了“上帝粒子”也并不意味著世界獲得圓滿 解釋。因為科學家說，組成我們生活的世界是由物質(zhì)和暗物質(zhì)構(gòu)成的，而標準模型只能解釋4%的宇宙，占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)仍然得不到解釋。
當然，如果現(xiàn)在科學家聽到的“腳步聲”并非希格斯粒子的聲音，那么，解釋世界就可能會有另外的假說，而且這樣的假說也未必不能解釋世界。例如， 在太空，蘋果是不會掉下的，只是在空間飄浮。這或許與希格斯粒子無關(guān)。宇宙和我們生存的世界一直存在，只是科學家們現(xiàn)在尚無法圓滿解釋這個世界而已。
霍金因希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)而輸?shù)?00美元
昨日，歐洲核子研究中心(CERN)確認發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這個發(fā)現(xiàn)在整個科學界引起了一場不小的騷動。不過對于霍金來說可能就帶點小苦澀，因為此前，他跟美國密歇根大學的戈登教授打了個賭：CERN不會發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。當時定下的賭金為100美元。
在CERN確認發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之后，霍金表示該研究中心的發(fā)現(xiàn)非常得了不起，他說如果這個新發(fā)現(xiàn)的例子衰變的交互數(shù)量跟他們預期想象的一樣，那這將成為 粒子物理Standard Model的有力證據(jù)，它將能夠解釋到目前為止的所有試驗。另外，霍金看來不得不付給密西根大學的戈登教授100美元。
“上帝粒子”希格斯玻色子六問
什么是希格斯-玻色子?
希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是說，理論上認為它應當是構(gòu)成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實驗觀測證實?？茖W家們提出的物理學標準模型預言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會擁有質(zhì)量。根據(jù)這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場和與之相對應的粒子——希格斯-玻色子一同形成。正是這個場賦予其它基本粒子以質(zhì)量的屬性。
為何這一粒子如此重要?
希格斯場賦予整個宇宙中其它粒子以質(zhì)量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力來做比喻。如果粒子沒有質(zhì)量，它們便可以在宇宙中以光速前進，因為質(zhì)量的本質(zhì)便是對物體改變其速度的制約性。
這種粒子最早是什么時候被提出來的?
有關(guān)這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的皮特·希格斯(Peter Higgs)教授。他們當時提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。
理論上，這一粒子的存在將正好補全描述整個宇宙如何運行的物理學標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。但是和其它構(gòu)成宇宙基礎構(gòu)建的基本粒子不同，希格斯粒子至今仍然隱匿無蹤，沒有能在實驗中被觀察到。
如何對其進行搜尋?
歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)是人類有史以來建造的最強大的粒子加速器，它的工作原理是將兩束質(zhì)子流以接近光速的速度迎頭相撞，在此過程中得到其它粒子。
在1989年至2000年之間，科學家們也曾使用同樣位于歐洲核子中心的另一臺加速器LEP進行搜尋工作，而在今年年初由于經(jīng)費不足被關(guān)停之前，美國的Tevatron加速器也進行過對這一神秘粒子的搜尋工作。物理學家們表示，目前所收集的數(shù)據(jù)仍處于分析階段，或許它們最終將會對搜尋玻色子產(chǎn)生有益的影響。
那么科學家們?nèi)绾文苤雷约壕烤故欠癜l(fā)現(xiàn)了這樣的粒子呢?
如果在LHC加速器中進行的數(shù)以十億計的對撞實驗中真的產(chǎn)生了希格斯-玻色子，根據(jù)預測，它應當是不穩(wěn)定的，會迅速衰變?yōu)楦臃€(wěn)定，質(zhì)量更小的粒子。物理學家們需要對這些衰變產(chǎn)物進行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。
在分析過程中，希格斯粒子是否存在會從數(shù)據(jù)圖形的峰值中體現(xiàn)出來。然而即便科學家們發(fā)現(xiàn)了這樣的峰值，他們也不能就此宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，只有當他們確認這一信號是統(tǒng)計誤差的概率低于100萬分之一時才能比較有把握的宣布發(fā)現(xiàn)結(jié)果。
如果最終發(fā)現(xiàn)，或者沒有發(fā)現(xiàn)這樣的粒子存在，意味著什么?
如果希格斯粒子最終被證實完全符合理論預期，那么這樣可能會讓物理學家們有一點點失望，因為他們原本指望此次在LHC的實驗將會拓展人類對于宇宙的認識。但是從另一方面來講，如果實驗確認這樣的粒子實際上并不存在，那么現(xiàn)有的標準模型將需要徹底改寫，而我們對于宇宙的認識也將發(fā)生革命性的改變。
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