赋予其他基本粒子质量的希格斯粒子,为何如此难以捉摸?

赋予其他基本粒子质量的希格斯粒子,为何如此难以捉摸?
2019年08月27日 00:12 新浪网 作者 哼哼情感屋

作者:石兰(抄袭必究)

在粒子物理学的这个领域里,有一套用于描述弱力、强力和电磁力,以及组成所有物质的基本粒子理论,它被称为标准模型。而希格斯玻色子便是该模型中基本粒子里的一种,它具有自旋为零、生成之后就会立刻衰变等特性,它与一般基本粒子有所不同,因为希格斯玻色子可以为其他基本粒子赋予质量属性。尽管希格斯已被证实真实存在,但我们目前对它的了解程度还很有限,科学家们需要将“碰撞器”调整到更窄的交互当中,以制造出更多的希格斯玻色子,从而收集到更全面的数据来掌握这种神秘基本粒子的更多信息。众所周知,每一个基本粒子都需要通过与场不可见的实体交互后获取唯一属性,而赋予其他基本粒子质量的希格斯粒子,为何却如此难以捉摸?

赋予其他基本粒子质量的希格斯粒子,为何如此难以捉摸?

难以捉摸的希格斯玻色子

早在1964年,物理科学家彼得希格斯发表了一篇具有重大意义的论文,并在文中对基本粒子具有质量的原因进行了假设。他预测存在一个可以渗透到太空、并拖拽通过它的所有东西的三维“场”,穿越场中的粒子会变得比一般粒子拥有更重的质量,这个领域后来被称为希格斯,若这个领域实际存在,那么就会有一个与其相关的粒子,它叫做希格斯玻色子。当时间快进48年之后,瑞士日内瓦的科学家宣布,他们发现了类似希格斯的粒子,若新的粒子结果是希格斯,那么近50年的粒子物理学理论将会被证实,并将希格斯玻色子与已知粒子结合到描述它们的方程之中,也就是所谓的标准模型。科学家们对希格斯的探索,取得了公众对物理学不同于以往的关注度,它对于现在的物理状态而言尤为重要,决定着我们对物质结构的最终理解,但它却又如此的令人难以捉摸。事实上,之所以希格斯玻色子总是无法检测到,是因为其通过构造和关闭两个高能粒子碰撞器,而存在于这些碰撞器中的粒子,会在隧道加速之后粉碎到一起,从而产生了过剩的能量,甚至有时候还会形成新的奇特粒子。只有来自于CERN实验室的这个有史以来最强大的粒子对撞机(大型强子对撞机),才能够探测出足够高的能量产生一个希格斯粒子,而它的质量大约是质子质量的125倍左右。那么,希格斯粒子到底做了些什么,它又是如何赋予其他粒子质量属性的?

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如何赋予所有其他基本粒子质量

对于希格斯粒子而言,它最重要的任务就是赋予所有其他基本粒子质量,若没有它的存在,其他基本粒子都将因为太过松散而无法形成原子。除了没有光泽的胶子和光子以外,其他所有的基本粒子都是通过与希格斯场发生相互作用,从而获得它们的质量。而那些相对更难以穿过希格斯场的粒子,则会获取到更重的质量,比如极其“肥胖”的顶夸克,就与电子和中微子这些轻质粒子有所不同。我们都知道,在物理学中,当粒子和场发生相互作用的时候,必须存在一种粒子介导。比如,光子和光粒子介导与EM场的相互作用,并且其本身就是EM场的激发,当EM场将带有负电荷的电子拉向带正电的质子时,光子的瞬间弹出不过是为了协调粒子场中的相互作用,电子通过自身吸收和发射恒定的“虚光子”流穿过EM场。

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沿着相同的思路,希格斯粒子也介导着与希格斯场之间的相互作用,并且其本身也是希格斯场的激发。在交换虚拟希格斯粒子的时候,粒子会被认为正在希格斯场中跋涉,因而获取到了相应的质量。并且,如果希格斯场变得尤为兴奋,那么,真实的希格斯粒子表面会在某个点上发生能量燃烧的现象,而检测这种突发粒子,就是物理学家确定该场本身存在的最好方式。科学家们在大型强子对撞机上,通过一些技术手段让这些原子组合在了一起,通过粉碎高速质子,让它们足以在较短的时间里产生125千兆电子伏特,在激发希格斯场的同时,爆发了希格斯玻色子的所有特征。

CLIC可揭示希格斯玻色子的秘密

或许很多人都不会对大型强子对撞机(LHC)感到陌生,因其将一些称为强子的重型粒子撞击在一起而得名,当强子接近光速后便会开始粉碎。虽然在此之前,没有任何东西能够与其研究物理学前沿的能力相提并论。但是,这样的荣耀并不会永远存在,这个27公里的“电力环”将会在2035年左右熄灭,弄清希格斯玻色子的诸多谜团才是我们的根本目标。因而在这一天来临之前,科学家们提出了紧凑型直线对撞机(CLIC)的设计,希格斯玻色子的本质、它与顶夸克之间的关系,以及能否找到标准模型以外的提示,或许都能从CLIC中得到答案。

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与大型强子对撞机相比,CLIC的设计相对更加简洁,CLIC加速的是电子和正电子这两种轻的基本粒子,它就像一个粉碎机,从11公里到50公里直线加速粒子。当然,所有这些令人期待的事都不是一蹴而就的,CLIC的第一代仅以380千兆电子伏特进行运营,这个数字看上去不到LHC最大功率的三十分之一。这个时候或许有人会提出这样一个疑问,如果下一代粒子对撞机,甚至还无法超越我们目前所能做到的事,那么开发使用它的意义是什么呢?其实,它们两个之间最大的区别就在于CLIC获取答案的方式更聪明。对于大型强子对撞机而言,它的主要科学目标是找到希格斯玻色子这种长期寻找的粒子,正是之前的不确定性,才有了这个通用调查工具的诞生。然而,现在的情况却有所不同,因为我们已经知道希格斯粒子真实存在。CLIC的主要科学任务是在更易于研究的环境中,尽可能多的生成希格斯玻色子,以更多的帮助我们了解这种特殊的基本粒子。比如,希格斯玻色子之间是否也会有相互作用,它与标准模型中其他粒子之间的相互作用到底有多强?并且,还可以将相同的哲学运用于我们最不了解的顶夸克,以研究夸克这种粒子的衰变过程。LHC在寻找新物理和新粒子方面已然枯竭,即使还有一些剩下的时间,但这样的希望正在逐渐减小。

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相反,虽然希格斯粒子和夸克看上去并不是一回事,但CLIC的设计却可以让其超越标准模型所设定的界限。比如,当其中存在一些奇异粒子或相互作用,便可能会对这两种粒子的行为产生一些微妙的影响,不管是衰变、还是相互作用的过程。虽然我们并不确定CLIC会发现些什么新的内容,但如果想要更加彻底地了解这些已知粒子和发现更多新的粒子,就必须超越目前的大型强子对撞机,而CLIC就可以通过大量的希格斯玻色子和顶夸克的原始生成,从而寻找到更多新物理的暗示信息。

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