上帝粒子

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英国每日邮报3月9日消息，美国“万亿伏特粒子加速器”（Tevatron）项目的科学家们近日表示他们在数据中发现了多个疑似希格斯玻色子的信号，其质量数大致和欧洲大型强子对撞机（LHC）得到的结果相同。这一发现增加了这样一种说法的分量，那就是希格斯粒子可能存在于125吉电子伏特质量数附近。这种神秘粒子被认为赋予了所有其它粒子以质量。然而，这些新的数据本身仍然不足以从统计学角度上增加这项发现的可靠性。目前研究人员们已经将他们的结果在近日于意大利举行的物理会议上公布。




“万亿伏特粒子加速器”（Tevatron）隶属于美国费米国家实验室，它在长达20年内一直占据着全球最强大粒子加速器的位置，但是在2011年却因为延长其资金拨款的谈判失败而被迫停止运行。然而和所有其它粒子加速器一样，Tevatron在其运行过程期间已经积累下海量的数据需要分析。

最新的数据暗示希格斯粒子可能存在于115~135 GeV之间，置信度为2.2Σ。这一数值是质子质量的120~140倍，质子是原子核的基本组成部分，它存在于每一种原子的原子核内。在物理学上，这种置信度就意味着有1/36的几率这种信号是一个误报或者噪音，这一数字是远远低于5Σ这个被视作可宣布为“正式发现”的物理学黄金标准的。

然而让这一发现更加显出其重要意义的一件事情在于，尽管两者采用的方法大相径庭，但是欧洲的大型强子对撞机同样在其数据中找到一个峰值，并且这个峰值出现的质量位置恰好和Tevatron的结果非常接近。

LHC的做法是将质子进行对撞，而Tevatron则使用质子和它们的反物质粒子，即反质子进行对撞。这两项实验的目的都是想通过观察这些高能粒子在衰变后的情况来搜寻希格斯粒子的踪迹。在Tevatron，这些数据是由底夸克和它的反物质伙伴——反底夸克对撞产生的，而在LHC，主要的探测目标则是对撞时产生的光子。

鲍勃·罗瑟（Rob Roser）说：“这是一台不同的加速器，不同的探测器，不同的衰变过程。”鲍勃是CDF探测器项目的发言人，这是安装在Tevatron设备上的两台主要探测器之一。他告诉BBC记者说：“它正在让图像变得清晰起来，让事情变得更加有说服力。但是我们还没有达到我们期望的那样自信。”他说：“我只是希望我们两家中至少有哪一家能有更多的数据，这真让人沮丧。”而在LHC，两台安装在其中的主要探测器——CMS和Atlas同样在周三举行的会议上报告了他们的进展，但是相比去年他们报告的内容，今年这一次的报告中仅仅提供了些许更进一步的数据。

但是这一切的艰难困境在今年下半年将会被一扫而空，因为科学家们计划今年将获得相当于2011年全年3倍的数据量。然而，近期对于Atlas数据进行的分析结果已经排除了122.5 GeV以上区间的可能性。Tevatron的数据则帮助科学家们排除了质量超过147-179 GeV的情形，这一数据同样和LHC的结果相当吻合。

正如先前所言的那样，如果希格斯玻色子真的存在，那么它可能存在的范围已经被缩小了。

托尼·魏伯格（Tony Weidberg）是一位牛津大学的物理学家，他在LHC的Atlas探测器项目工作，他说Tevatron的探测结果符合一种“较轻”的希格斯玻色子的设想。

他告诉BBC记者说：“这很有趣，因为这是另一个小小暗示。它暗示我们到今年年底时将有可能发现这种粒子，而不是宣布排除了这种可能性。”他说：“证据就隐藏在LHC的数据中，我们今年就将找到它；到今年年底，我们将走出模糊和不确定，得到清晰的证实或排除的结果。对我来说，不管结果如何，这两个结果中其中任意一个的确认都将让人兴奋不已。

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这后面还有好些有意思的故事，我有空一个个道来

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对称性破缺的胜利

虽然对称与守恒是现代物理学的核心，但物理学依然执迷于对称中的“破缺”。

《科学时报》 2008年10月，诺贝尔奖委员会第三次将物理学奖授予在对称性破缺领域作出杰出贡献的科学家。因发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制，日裔美籍科学家南部阳一郎将获得一半的奖金；另外两位日本科学家小林诚、益川敏英则因发现对称性破缺的起源，共同分享另一半的奖金。



    在140亿前的宇宙大爆炸之初，所产生的正物质和反物质的数量是相同的，二者相遇会湮灭，同时释放出能量，如果果真如此，那么世界将空无一物，我们也不会存在。但宇宙幸存下来了，因为这里面出现了微小的偏差，每100万个反物质粒子中，就会多出一个正物质粒子，正物质因此战胜反物质，宇宙因此充满了星系、太阳、恒星和行星，还有每天的生活，物质世界得以诞生。（图片来自诺贝尔奖官方网站）

现代物理理论认为，宇宙爆炸时应产生同等数量的正物质与反物质，二者相遇会湮灭，如果真是这样，那么世界将一无所有，人类也不会存在。但事实并非如此，在那场开天辟地的大爆炸中，正物质终于战胜反物质，世界得以幸存。物理学家们说，对称性破缺是隐藏在其中的关键原因。


最早对宇宙对称性提出挑战的是两位华人物理学家。1956年，理论物理学家李政道和杨振宁提出，在弱相互作用下宇称不守恒，两人因此分享了1957年的诺贝尔物理学奖；1964年，美国科学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在实验中发现了K介子衰变过程打破了宇称和电荷的联合对称，他们因此获得1980年诺贝尔物理学奖。

目前，仍然还有在爆炸之初产生的同类对称性破缺没有得到解释。2008年度获诺贝尔物理学奖的三位科学家提出的理论为这些问题的解释提供了重要线索，他们将人类探索物质世界起源的旅程带到了最后一步，这一步也许就在眼前，但也可能远在天边。

对称中的破缺

许多年来，物理学家们一直在寻找隐藏在纷繁表象下的自然法则。他们认为，自然法则应该是完美对称和唯一的，这在绝大多数情况下是行得通的。

从麦克斯韦的电磁学方程到爱因斯坦的质能守恒定律，物理学中的对称性不仅仅只具备审美意义，它们能简化许多复杂的计算，并在用数学公式描述宏观世界中起着决定性的重要作用。一个更为重要的事实是，对称性所包括的守恒定律也适用于宏观世界的许多情况，比如，能量不会在基本粒子间的碰撞中消失；也就是说，碰撞前后的能量是相同的，这就是对称。

粒子物理学的基本理论描述了三种类型的对称：镜像对称、电荷对称和时间对称。镜像对称是像与物相对于镜面对称，即像和物的关系为等大、正立；电荷对称是指除了所带电荷相反外，正反粒子的所有性质完全一致；时间对称则是指微观层面上，无论时间向前还是逆转，物理事件具有同等的独立性。

但也有对称性解释不了的现象。

20世纪中期，对称性破缺首先出现在对物质本质的研究中。这时的物理学家们有一个伟大的梦想：将组成物质的所有基本粒子和控制这些粒子的全部力量统一到一个理论中。他们提出了标准模型，但这个模型有一个缺陷：它没有描述到重力；而且，如果这个模型中所有的力量完美对称，那么质量将不会存在，但这不是事实。


    1956年，34岁的杨振宁和30岁的李政道合作，第一次提出了宇称不守恒理论，两人于1957年获诺贝尔物理学奖（图片来自诺贝尔奖官方网站）
最先对宇宙的对称性提出质疑的是两位理论物理学家。1956年，当李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒的理论时，几个月后，华人物理学家吴健雄等通过实验证明了这个理论，世界为之震惊。一年后，两人即获得诺贝尔物理学奖，颁奖词写道：他们对所谓的宇称不守恒的深刻研究导致了基本粒子中的重要发现。

然而，当时物理学界还是认为，宇称和电荷的对称不可能同时被打破。1964年，一种新的破缺出现在一种陌生粒子的衰变中，美国科学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在这个实验中观察到了宇称和电荷对称都被打破了，说明自发性破缺早在宇宙形成之初就已经存在，物理学家彻底被震撼，他们无法解释这种现象。




日本理论物理学家小林诚和益川益川敏英（图片来自诺贝尔奖官方网站）
这种状况在1972年得到了解释。当时，名古屋大学28岁的小林诚博士和32岁的益川敏英合作，提出“小林—益川理论”，在标准模型的框架内解释了对宇称和电荷破缺现象，但需要将夸克的数量增加到6种，因此还应该有3种新夸克，他们认为，造成宇宙中正粒子多于反粒子的原因是夸克的反应衰变速率不同。

这一大胆预言得到了精确求证。1974年，粲夸克被发现；1977年，底夸克被发现；1994年，顶夸克被发现。2001年，位于美国斯坦福的线性加速器中心和日本高能加速器机构的两个巨型粒子探测器独立证实这种对称性破缺，完全证明了30年前提出的“小林—益川理论”，也就是对称性破缺的起源。

这意味着，标准模型所预言的61种粒子中的60种，均得到实验数据的支持与验证，最后一个未被发现的就是希格斯粒子。

破缺下的对称

标准模型虽然包含了组成物质的所有基本粒子，以及4种基本力中的3种，但它不能解释为什么这些力如此不同？为什么代表这些力的基本粒子的质量也是如此不同？质量究竟从哪里来？

1960年，美国芝加哥大学的理论物理学家南部阳一郎绘制了一幅质量形成的路线图。


    2008年10月7日，87岁的日裔美籍科学家南部阳一郎获得诺贝尔物理学奖，他在芝加哥大学接受媒体采访。（图片来自诺贝尔奖官方网站）
自发对称性破缺的概念早期出现在凝聚态物理中。刚开始，南部阳一郎从事超导现象的理论研究，超导是指电流突然失去阻力的一种现象。他首次将描述超导现象的自发对称性破缺应用于粒子物理学的世界，在某种程度上揭示出大自然混乱表象上所隐藏着的对称性。

所谓自发对称性破缺是指在一个物理系统中，概括整个系统动力状态的函数拉格朗日量具有某种对称性，而描述系统最低能阶的基态却不具有该对称性。实际上，我们每天的生活中都有对称性破缺的情况发生，比如，一支以笔尖直立于水平面上的铅笔，它在每个方向上都具有完美的对称，但铅笔会朝某一个方向倒下，对称虽被打破了，但铅笔处于了最稳定的状态。

南部阳一郎最早意识到真空态适合于自发对称性破缺的研究。因为在物理学中，真空是最不具有对称态的最低能量态，之后几十年的时间里，他的理论被证明非常有用，渗透到了标准模型的所有领域。今天，这些理论常常被用于强作用力的计算。

上帝的粒子

但是，南部阳一郎的理论和“小林—益川理论”还是不能解释宇宙大爆炸之初的另一种同类对称性破缺。

但南部阳一郎的理论启发了英国物理学家希格斯(P.W.Higgs)。希格斯在1964年提出了希格斯机制。

希格斯的名字与粒子联系起来是在1961年，当时，他刚刚在爱丁堡大学获得一个讲师席位。他在国王学院获得博士学位的论文题目是分子振动光谱，之后他用了六年的时间在爱丁堡大学、伦敦大学学院和帝国大学之间来回走动，直到爱丁堡大学给了他一个永久性职位。

“当我在1960年10月回到爱丁堡大学时，我不确切地知道我下一步要做什么，”2004年，他在接受《物理世界》的采访时回忆说。这时，他读到了南部阳一郞在1960年发表的一篇论文。在这篇论文中，南部阳一郎将超导中的自发对称性破缺应用到了粒子物理的世界。“质量最初来源于自发对称性破缺的想法就是这样形成的。”希格斯说，“尽管我的名字被带上这个领域的王冠，但南部阳一朗首先提出：费密子质量应该是由类似超导能隙形成的方式产生的。”

希格斯在1964年7月底的《物理快报》和8月31日出版的《物理评论快报》上连续发表两篇短篇论文，提出了宇宙质量起源的理念。

这是希格斯为解决质量来源而提出的猜想。物理学家们认为，在宇宙大爆炸之初，所有的力在各个方向都是对称的，所有粒子的质量都是零，但希格斯场就像直立的铅笔一样，是不稳定的，当宇宙温度开始冷却时，希格斯场跌落到最低能量状态，即真空状，这时对称性消失，希格斯场变成了一锅“粒子汤”：粒子们吸收不同能量的力场并获得不同的质量，物质因此如此纷繁复杂。


英国物理学家彼得·希格斯教授（图片来自诺贝尔奖官方网站）
希格斯粒子就是希格斯场的代表，它被认为是物质的质量之源，是标准模型的基石。1988年，诺贝尔物理学奖获得者莱德曼将这种粒子称为“上帝的粒子”，称它是“指挥着宇宙交响曲的粒子”。

2000年，欧洲粒子物理中心的研究人员似乎在世界最大的正负电子对撞机上看到了它的踪影，但当时的统计数据不足以作出确切的推论，希格斯粒子如同歌剧院的幽灵，闪现一下又消失在黑暗之中。

希格斯曾经说过，如果总不能证实希格斯粒子的存在，那么他将会“非常、非常困惑”，因为他“无法想象除此之外还能怎样解释物质是如何获得质量的”。

然而，物理学家们坚信，如果希格斯粒子存在，就一定要找到它，他们将希望寄托在2008年9月10日开始运行的大型强子对撞机；但也有可能找不到，那么标准模型这座大厦就会轰然倒塌。不过，物理学家们已经作好了准备，他们知道，如果希格斯粒子被证实不存在，标准模型垮了，一定还会有另一种崭新的理论来支撑这个世界。

从1899年汤姆逊爵士发现电子开始，在一个多世纪的时间里，物理学家一直在孜孜不倦地致力于理解物质世界的本源，获得关于这个世界的终极知识。随着大型强子对撞机的运行，这个谜底可能会在2010年左右被揭开。

但如果希格斯粒子最终被证明不存在，那么人类将不得不目睹终极理想再次远离我们而去。

可以作这样的预言，如果希格斯粒子被发现了，诺贝尔物理学奖会再次授予这一领域的研究。这一时刻，我们祝福今年79岁的希格斯能够长命百岁。

balto

深入浅出的科普文章啊，总算明白一点了。。。

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balto 发表于 2012-3-10 19:02
深入浅出的科普文章啊，总算明白一点了。。。

还有故事呢：它原来的名字叫操蛋粒子

上帝粒子这个名字，是来自1993年诺贝尔奖获得者Leon Lederman。 他写了一本书：《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么什么是相应的问题？》，将它称为上帝粒子。

Lederman将他的科普书交给出版商时，不是称希格斯粒子为上帝粒子(god particle)，而是称它为操蛋粒子(goddamn particle)，但编辑觉得这个名字太不雅了，改成了上帝粒子。但也有人怀疑是Lederman在编故事，因为他是个学究，觉得他不会用操蛋这个词。 ：）

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原子是由电子和原子核组成的，而原子核是由质子和中子组成的。

质子和中子也是复合粒子，由夸克组成。所以，从70年代到90年代，物理学家肯定了基本粒子家族的成员，它们是电子，中微子和夸克，以及类似电子的μ子(渺子)和τ子(陶子)。电子和中微子以及类似它们的粒子叫轻子，夸克叫重子。这些粒子都是费米子，都有自旋1/2(级半个角动量量子)。

　　在费米子之外，还有玻色子。玻色子的自旋是角动量量子的整数倍，例如无所不在的光子，传递强相互作用的胶子，以及传递弱相互作用的中间玻色子。这些传递力的粒子的自旋都是1。物理学家用这些基本粒子建立了所谓粒子物理标准模型。之所以称这个模型为标准的，是因为到现在为止我们还没有发现有什么基本物理现象这个模型解释不了。因此，诺贝尔奖获得者Weinberg建议将这个模型称为标准理论，因为理论听上去似乎比模型更高级些。

　　现在轮到希格斯粒子了，这是标准模型中唯一与其它粒子不同的粒子，第一，它的自旋为0，也就是没有自旋，所以也是玻色子。第二，它决定了粒子物理中的真空性质，也就是说，它的存在赋予真空一些特性，使得所有其它粒子在这个真空存在时获得质量。由于这个特殊地位，Lederman通俗地称之为上帝粒子。