第兩百八十二章上帝粒子

我真的不想當學霸 第兩百八十二章上帝粒子

1964年時候不列顛物理學家彼得·希格斯發表了一篇學術理論文章，提出一種粒子場的存在，預言一種能吸引其他粒子進而產生質量的玻色子的存在。他認為，這種玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎，其他粒子在這種粒子形成的場中游弋并產生慣性，進而形成質量，構筑成大千世界。

在標準模型中，預測各種粒子，而這些粒子都被相繼發現，目前就只剩下這個神奇的粒子，而這個粒子被別人以‘希格斯’的名稱名稱，成為‘希格斯玻色子’，外號為‘上帝粒子’。

希格斯是粒子物理中的大牛，他提出了希格斯機制，在此機制中，希格斯場引起電弱相互作用的對稱性自發破缺，并將質量賦予規范玻色子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激化，它通過自相互作用而獲得質量。

而歐洲大型強子對撞機，就有機會發現希格斯粒子。

而說起希格斯和希格斯玻色子，又不得不提起布勞特、恩格勒。

希格斯和布勞特、恩格勒雖然分屬不同的國家，但在物理界他們卻被視為同一團體，希格斯機制在歐洲核子中心的官方稱謂是布勞特恩格勒希格斯機制。

可惜在希格斯玻色子被發現后，彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒同時獲得諾貝爾物理獎，而讓人遺憾的是羅伯特·布勞特在此之前已經故去，無緣該獎項。

換句話說，如果希格斯玻色子在布勞特去世之前被發現，那么到時候登上諾貝爾物理獎領獎臺的就會是他們三人，而不僅僅是希格斯和恩格斯。

得知此次歐洲大型強子對撞機啟動的一個目標是尋找‘上帝粒子’希格斯玻色子，劉一辰便起了好奇心，開始研究起希格斯玻色子的相關論文和文章。

在標準模型理論中，基本粒子分成3大類：夸克、輕子和玻色子。標準模型的缺陷，就是該模型無法解釋物質質量的來源。在本質上，這個場就像一池黏黏的蜜糖，除了非質量的基本粒子，通過此場的時候，會將粒子轉變成帶有質量的粒子，就像是原子的成分。在標準模型中，希格斯粒子包含了一個中性與兩個帶電成分的區域。兩個帶電和一個中性區域皆是希格斯玻色子，是縱向三極化分量帶質量的W、W和Z玻色子。

目前理論學家預測新的物理學會建構在標準模型之上能量在TeV的尺度，基于不足的標準模型性質。希格斯粒子可能的最大質量是1.4TeV。

而研究希格斯粒子，又不得不研究標準模型。

粒子物理學在20世紀50年代，經歷了一個短暫的困難時期，按照諾貝爾獎得主、電弱統一理論提出者之一的斯蒂芬·溫伯格的話來說那是“一個充滿挫折與困惑的年代”，幾乎當時已經應用的理論都遇到了很大的問題。

而就在這一個時期，誕生了一位杰出偉大的理論物理學家——楊震寧！

1952年楊震寧在統計力學方面的特色是對扎根于物理現實的普遍模型的嚴格求解與分析，從而漂亮地抓住問題的本質和精髓，因此他和合作者發表了3篇有關相變的重要理論，后來被稱為‘相變理論’。1957年，楊震寧與合作者發表一系列關于稀薄玻色子多體系統的論文，弱相互作用中宇稱不守恒與玻色子多體問題震驚了整個物理學界，使得他和李政道獲得了諾貝爾物理學獎。而在20世紀60年代，尋找具有非對角長程序的模型的嘗試將楊震寧引導到量子統計模型的嚴格解，這一時間楊Baxter方程誕生了。

于是，基于楊米爾斯方程的非阿貝爾規范場理論，逐步構建完成了現代的標準模型理論，從此標準模型成為粒子物理學的主流，標準模型共預測62種粒子，它的很多預言不斷為一個又一個激動人心的實驗成果所證實，預測的62種粒子已經驗證了61種粒子，只剩下最后一種的‘希格斯玻色子’至今未曾發現。

而標準模型理論，誕生了一位位杰出數學家，可以說是諾貝爾物理學獎拿獎拿到手軟。

“標準模型理論的創立，當真是夠偉大的，給人類帶來難以想象的財富！”劉一辰越是深入了解，越是感慨。

這半個世紀粒子物理發展迅勐非常，可以說都是挖掘標準模型這一座寶藏。

而現在這座寶藏，最后最值得挖掘的就屬‘上帝粒子’希格斯玻色子。

標準模型包含費米子及玻色子兩類——費米子為擁有半整數的自旋并遵守泡利不相容原理的粒子；玻色子則擁有整數自旋而并不遵守泡利不相容原理。簡單地說，費米子組成物質的粒子，而玻色子負責傳遞各種作用力。電弱統一理論與量子色動力學在標準模型中合并為一。

這些理論都基于規范場論，即把費米子跟玻色子配對起來，以描述費米子之間的力。由于每組中介玻色子的拉格朗日函數在規范變換中都不變，所以這些中介玻色子就被稱為“規范玻色子”。

標準模型所包含的玻色子有：負責傳遞電磁力的光子；負責傳遞弱核力的W及Z玻色子；負責傳遞強核力的8種膠子。

希格斯玻色子也是一種玻色子，然他它與這些規范玻色子不同，希格斯粒子負責引導規范變換中的對稱性自發破缺，是慣性質量的來源，因此并不是規范玻色子。

在20世紀60年代，楊米爾斯理論無論應用到弱還是強相互作用中所遇到的主要障礙就是質量問題，由于規范理論規范對稱性禁止規范玻色子帶有任何質量，然而這一禁忌卻與實驗中的觀測不相符合，如果不能解決質量問題，將使得整個研究失去基礎。

一開始人們試圖通過自發對稱破缺機制，即打破規范理論中對拉氏量對稱性的嚴格要求，使得物理真空中的拉氏量不再滿足這種對稱性，然而到了1962年，每一個自發對稱性破缺都被證明必定伴隨著一個無質量無自旋粒子，這無疑也是不可能的。

1964年，希格斯解決了這個問題，使得自發對稱性破缺發生時，那個無質量無自旋粒子仍然存在，但它將變成規范粒子的螺旋性為零的分量，從而使規范粒子獲得質量，這就是希格斯機制。

通過希格斯場產生對稱性破缺，同時在現實世界留下了一個自旋為零的希格斯粒子。

希格斯粒子之所為是‘上帝粒子’，之所以這么重要，可以說它是整個標準模型的基石之一，如果希格斯粒子不存在，將使整個標準模型失去效力。

“劉，怎么樣，這段時間你都在忙什么？”耳邊傳來威騰的話。

劉一辰抬頭看了一眼，說道：“正在研究‘希格斯粒子’！”

“‘希格斯粒子’？看來你對于粒子物理很感興趣啊，怎么樣，有沒有發現？”威騰笑著說道。

其實說這話，更是隨意，因為劉一辰并非這個領域的，這么短時間又怎么可能會有發現呢，單單看材料都不夠。

而且這些年，關于‘希格斯粒子’這個‘上帝粒子’到底存不存在，爭議很大，因為在其他61種粒子都被尋找驗證到，希格斯粒子卻始終游離于物理學家的視野之外。

如果找到這種粒子，就找到了標準模型這個粒子物理學經典理論大廈的最后一塊基石。如果證明它不存在，那么整個標準模型大廈就要被推倒重建。

正如歐洲核子研究中心研究主任塞爾希奧·貝托盧奇說：“如果希格斯玻色子真的不存在，那么它的缺位將使人們的目光轉向‘新物理學’。”

而目前，許多世界頂級物理研究機構曾試圖通過對撞實驗尋找希格斯玻色子，但都沒有成功。

比如2010年7月13日多家媒體報道，美利堅費米實驗室的萬億電子伏加速器很可能已經發現了希格斯玻色子。還有2011年4月26日多家媒體報道，LHC已經發現了傳說中的‘上帝粒子’——希格斯玻色子。

不久之前，也就是2011年12月13日，歐洲核子研究中心宣布發現了希格斯玻色子的蹤跡，兩個實驗小組的負責人宣布，他們在大致相同的124125GeV的位置，也就是相當于130倍質子質量的位置上看到了數據的‘峰值’。

但是這僅僅只是希格斯玻色子的蹤跡，卻不代表著證實它存在以及確定就是它。

所以，這也是有即將開始的LHC啟動實驗。

“威騰教授，不知道你可否調集去年LHC的實驗數據以及費米實驗室數據？”劉一辰看向威騰教授：“我想我在‘上帝粒子’上發現了一些奇特的東西，不過我現在需要實驗數據來進行分析和支撐。”

“劉，你是認真的！？”威騰一愣，不過緊接著變得嚴肅起來。

作為一名理論物理學家，他對待科學還是非常嚴謹的。

“當然，不過這一切都得經過數據來分析，也許我的推算是錯的，也說不定！”劉一辰說道。

畢竟，沒有試驗數據的情況下，一切都是推測，并不一定真的。