毫无疑问,最令人兴奋的科学发现是在欧洲核研究中心实验室发现了新粒子,那可能是以物理学家彼得希格斯命名的粒子希格斯玻色子。
科学家认为希格斯场使构成普通物质的基本亚原子粒子如夸克和轻子拥有了质量。而希格斯玻色子在希格斯场中摇摆,就像你拉扯绳子时看到的样子。但是这个场是如何赋予粒子质量的呢?很多人都被这个问题困扰。1993年,英国科学部长以一瓶上品香槟为奖励,让物理学家找到一种简单的方法来解释所有希格斯粒子。获奖的解释是这样的:假设在欧洲核子研究中心的实验室里有一个大型的鸡尾酒会,里面都是粒子物理学研究人员。这个人群代表了希格斯场。
此时一个收税员走了进来,并且没有人和他说话,他可以很容易地穿过房间到达酒吧。收税员不会和人群相互作用,就像有些粒子不会和希格斯场相互作用一样。这些不与希格斯场相互作用的粒子,比如光子,被称为无质量粒子。现在,假设彼得·希格斯(Peter Higgs)进入了同一个房间,理由可能是为了找一品脱啤酒。
此时,物理学家们会立即簇拥在希格斯周围,与他讨论他们研究希格斯玻色子特性的努力。由于希格斯与人群的互动强烈,他穿过房间的速度会比较慢。在我们的类比中,希格斯粒子通过与场的相互作用变成了一个具有质量的粒子。那么,如果这就是希格斯场,那么希格斯玻色子与这一切有什么关系呢?让我们假装我们的派对观众均匀地分布在房间里。现在假设有人突然将头探进门里,报告某个遥远的敌对实验室发现的传闻。离门近的人会听到消息,但离门远的人不会,所以他们会靠近门问。这将在人群中形成一个人堆。
当人们听到传闻后,他们会回到原来的位置来讨论它的影响,但离得更远的人会问发生了什么。于是一个人堆就在房间里移动起来。这一堆人就类似于希格斯玻色子。有一点很重要,请记住,并不是大质量粒子就与希格斯场有更多的相互作用。在我们对聚会的类比中,所有粒子在进入房间之前都是相等的。彼得·希格斯和收税员都是零质量。正是与大众的互动使他们获得了质量。再说一遍。质量来自与场的相互作用。所以,让我们来总结一下。
一个粒子的质量大小取决于它与场的相互作用,就像不同的人在人群中以不同的速度移动,这取决于他们的受欢迎程度。而希格斯玻色子只是组成场的一团,就像穿过房间的传闻。当然,这个解释也仅仅只是一个类比而已,但它是迄今为止所有类比中最好的一个。所以,这就是希格斯场和希格斯玻色子。如果我们找到了它,持续的研究将会带给我们更多结论,其回报可能远比一瓶香槟更具价值。
在量子物理学的标准模型中,希格斯机制是解释规范玻色子“质量”属性产生机制的关键。如果没有希格斯玻色子机制,所有的玻色子(两类粒子之一,另一类是费米子)都只能是无质量的,但测量结果显示,W+、W−和Z0玻色子实际上都具有比较大的质量,约为80 GeV/c2。希格斯场成功解决了这个难题。对这一机制最简单的描述是在标准模型中加入一个贯穿所有空间的量子场(希格斯场)。在某些极高的温度下,电场会在相互作用中引起自发的对称性破坏。对称性的破坏触发了希格斯玻色子机制,导致与之相互作用的玻色子产生质量。
在标准模型中,“希格斯机制”一词特指W±和Z弱规范玻色子通过电弱对称性破缺而产生质量的过程。欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)宣布发现了与希格斯粒子一致的实验产物,这意味着该场(或类似场)极有可能存在,同时能很好地解释希格斯粒子机制在自然界中是如何发生的。
该机制由菲利普·沃伦·安德森(Philip Warren Anderson)在1962年提出,在20世纪50年代后期关于超导对称性破断的研究和Yoichiro Nambu在1960年的一篇论文中讨论了它在粒子物理学中的应用之后提出。1964年,三个独立研究小组几乎同时发表了一项理论,该理论能够在不“打破”规范理论的情况下,最终解释质量的来源:罗伯特·布劳特(Robert Brout)和弗朗索瓦·恩格勒特(Francois Englert);彼得·希格斯;杰拉尔德·古拉尔尼克、C·R·哈根和汤姆·基布尔。因此希格斯机制也被称为Brout-Englert-Higgs机制,或Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble机制,Anderson-Higgs机制,Anderson-Higgs-Kibble机制,Abdus Salam的Higgs-Kibble机制和Peter Higgs的ABEGHHK机制(Anderson,Brout Englert, Guralnik, Hagen,Higgs,Kibble,and' t Hooft) 。
在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)发现了一种新粒子,它似乎就是该理论所预测的长期寻找的希格斯玻色子之后,宣布彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)获得2013年诺贝尔物理学奖。
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. 瓶子
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