godd,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godd。

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。(而之前我们也说到过,理论预测希格斯玻色子的质量是126GeV)

于是,LHC在2012年6月,对外正式宣布找到了希格斯玻色子。

随后,提出希格斯机制相关的两位科学家恩格勒和希格斯获得诺贝尔物理学奖,这个颁奖速度在诺奖历史上都是极为罕见的,足以见得预言并找到希格斯玻色子的重要性。

而希格斯玻色子实际上还被人戏称为:上帝粒子。它是粒子物理标准模型的最后一块拼图,

正是它的存在,使得粒子们可以获得质量,当然也有例外,传递电磁相互作用的光子和束缚夸克的胶子实际上是不和希格斯场发生作用的,所以它们的静止质量是0。而夸克和各类轻子的质量都是来自于希格斯场。

总结godd,科学家是怎么确定希格斯粒子的?以下八篇文章:

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