科学家是怎么确定希格斯粒子的?
其实关于这个问题,无非就是分两步来完成的,首先是科学家的理论预测,然后是通过实验找到相关证据 。预测那说起希格斯玻色子,我们就要先给希格斯玻色子定一个位置,它在什么理论当中,有什么用处 。这要从上世纪的物理学发展说起,当时科学家发现了很多粒子,林林总总加起来得有100多号 。这时候,他们就想如何利用理论把这些粒子的关系搞清楚 。
那这个问题该如何去思考呢?其实,人类很早就有这方面的意识,那就是构成物质的应该是不可再分的基本粒子,但是要你要让粒子们老老实实地待在一起,就需要相互作用 。科学家发现,在宇宙中存在四种相互作用,引力,电磁力,强相互作用,弱相互作用 。科学家先是通过狭义相对论和量子力学构建了量子场论 。然后基于规范场论,如果满足对称性的要求,就得引入了传递基本作用的规范玻色子 。
比如:传递电磁力的规范玻色子就是光子 。但是强相互作用,弱相互作用还有引力其实是没有着落的 。当然,我们也知道,后来引力一直没办法纳入到整个个体系中 。杨振宁和米尔斯在1954年的时候,就从麦克斯韦方程方程入手,试图把理论延伸到强相互作用和弱相互作用 。但是,这时候就出现了一个问题,如果按照理论框架走,传递强相互作用和弱相互作用的玻色子就会出现质量为零的情况 。
为了能够解决这个问题,多位学者开始着手研究这个问题,他们要做的是要让基本粒子有质量,同时还不能和规范场理论相互冲突 。许多科学家都给出了解决方案,而由希格斯等人分别独立特出的希格斯机制被广泛接受,并且他们预言了希格斯玻色子(假设希子质量为126GeV)的存在,是希格斯场让基本粒子减速,并且获得质量 。但是理论到底对不对,还是要依靠着实验来证明的 。
在希格斯机制中,希格斯场是广泛分布于整个宇宙空间的,无处不在 。而希格斯玻色子其实就是希格斯场的涟漪,就有点像引力波之于引力场的感觉 。实验那也要如何找到希格斯玻色子呢?说白了还是要用到大型粒子对撞机,这个实验的原理其实是两个粒子束加速到极其高的能量状态,然后让它们在粒子探测器当中相互碰撞,用这样的办法就有可能生成希格斯玻色子 。
根据理论,希格斯玻色子的寿命其实极其短(我们其实管这个叫做半衰期),它会在极短的时间内(平均寿命1.56×10^?22 s)发生衰变,但由于整个过程是在太快了,所以,探测器一般只能记录下所有的衰变产物 。科学家通过实验数据去重建整个衰变的全过程,如果结果是符合希格斯玻色子的衰变理论,那就有可能是找到了 。
听起来好像很容易,实际上这个是特别难的事情,或者说是概率极其低的事情,大概只有百亿分之一 。也就是说,做这个实验的科学家要搜集几百亿个碰撞时间的数据,然后进行分析 。只有那些符合理论的才有可能是希格斯玻色子的衰变事件 。其实这也就意味着需要处理数据能力超强的电脑 。一开始有一些顶级的实验室加入了寻找希格斯玻色子的实验中来,但是都失败了 。
为了能够找到希格斯玻色子,科学家建造了一台性能更加强劲的对撞机,并且还配备了一台超高性能的计算机 。完成这个实验的是欧洲核子研究组织的大型强子对撞机,简称:LHC 。在2010年,两个探测器都检测到了异常的数据 。ATLAS在范围为125-126GeV探测到了质量超额的事件,CMS在范围为124GeV探测到了质量超额的事件,经过两年的反复检验,科学家确认找到了希格斯玻色子 。
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