higgs(物理学的圣杯希格斯玻**的简史)

据New Atlas报道,本月是希格斯玻**(Higgs boson)发现10周年,这是一个真正的科学“圣杯”。此前科学家们追寻这种粒子已达近50年。但这种粒子究竟是什么,为什么它如此重要?在发现后的十年里,...

据New Atlas报道,本月是希格斯玻**(Higgs boson)发现10周年,这是一个真正的科学“圣杯”。此前科学家们追寻这种粒子已达近50年。但这种粒子究竟是什么,为什么它如此重要?在发现后的十年里,它教会了人们什么--更重要的是,在未来的十年里它能教会人们什么?

物理学的“圣杯”:希格斯玻**的简史

粒子物理学的**模型预测,宇宙是由12个基本物质粒子、4种基本自然力和最后一个将所有粒子联系在一起的粒子--希格斯玻**组成的。**以来,希格斯玻**粒子都是“拼图”中最后缺失的一块,这是个问题,因为没有它,其余的部分就没有意义了。

它的存在在20世纪60年代首次由其英国科学家彼得·希格斯预测,并由弗朗索瓦·恩格勒特和罗伯特·布鲁特的团队独立预测。这些物理学家一直在努力回答基本粒子如何**其**的问题,并计算出这是在它们与弥漫在宇宙中的量子场相互作用时发生的。这个模型预测,所谓的希格斯场(Higgs field)也会产生自己的粒子,希格斯玻**的概念由此诞生。

预测它是一回事,但真正找到它是另一回事。该模型表明,希格斯玻**几乎会瞬间衰变为其他粒子,这给了科学家们一个观察它的非常小的窗口。更糟糕的是,该粒子的**可能在10到1000GeV之间。因此,几十年来,人们一直认为这种搜索是不可能的。

物理学的“圣杯”:希格斯玻**的简史

直到20世纪80年代,技术才最终跟上。物理学家们意识到,希格斯玻**可以通过将粒子高速撞击在一起而产生,虽然它们会迅速消失,但通过观察产生的粒子,可以发现它们的特征,即希格斯可能衰变成的粒子。

即使有了一系列功率越来越大的粒子对撞机,希格斯玻**在接下来的几十年里仍然没有被发现。不过,这并不是完全的失败--每一个无效的结果都有助于缩小可能的**范围,因此在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)的早期,**范围缩小到115至130 GeV之间。

人们的注意力特别集中在125GeV附近,LHC团队在那里注意到了与希格斯玻**一致的过量事件。欧洲核子研究中心预计,到2012年底,这些数据将"肯定会给出一个答案"--一劳永逸地确认希格斯玻**的存在或不存在。

物理学的“圣杯”:希格斯玻**的简史

果然,2012年7月4日,粒子物理学家宣布了希格斯玻**的历史性发现。来自欧洲核子研究中心的两个独立团队ATLAS和CMS的数据,在同一个结论上趋于一致--他们发现了一个**约为125.3GeV的新粒子和其他一些类似希格斯玻**的特性。

进一步的实验证实了这是人们**寻找的希格斯玻**,为彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特赢得了2013年诺贝尔物理学奖。

尽管这一宣布在当时是令人兴奋的,但经常有报道说希格斯玻**从那时起**相当“无聊”,因为它并没有公布任何疯狂的新物理学。那么,在发现希格斯玻**后的十年里,它都在做些什么?

物理学的“圣杯”:希格斯玻**的简史

在最初的几年里,科学家们仔细研究了这种新粒子,以检查它是否具有**模型所预测的所有属性。例如,它的自旋需要为零,而且它与粒子耦合的**需要与它与反粒子耦合的**完全相同。事实证明,两者都与模型的预期相符。

大型强子对撞机实验还证实了希格斯玻**的主要预测之一--**模型中的其他粒子通过与希格斯场相互作用而**其**。这反过来又证实了希格斯粒子在一些基本力量中的作用--例如,如果希格斯玻**不存在,我们就需要对诸如为太阳提供动力的核聚变反应做出新的解释。

在大型强子对撞机的第二次运行期间,产生了大约800万个希格斯玻**,ATLAS和CMS团队最近发布了基于这些数据的新研究。这包括它从不同**中产生的**,它衰变成哪些其他粒子和**,以及它与其他粒子的相互作用有多强。在科学家们对它进行的几乎每一次实验中,希格斯玻**都符合**模型的预测。

物理学的“圣杯”:希格斯玻**的简史

尽管到目前为止,希格斯玻**与**模型的吻合度相当高,但更详细地研究希格斯玻**可能是科学家们揭开这个框架之外的物理学的门票。

以暗物质为例。证据表明,这种神秘的物质弥漫在宇宙中,并以其强大的引力影响将星系和星团等结构固定在一起。到目前为止,它还没有通过实验被直接探测到,主要是因为暗物质很少与常规物质发生相互作用--但是有一个机会,希格斯玻**与暗物质发生相互作用的**可能最终使其被探测到。

希格斯粒子的新测量结果提出的另一个奇怪的难题是,宇宙可能并不像它看起来那样稳定。它目前可能存在于所谓的假真空状态,但在任何时候,宇宙--或它的大部分--都可能突然坍缩成一个真正的真空状态。这可能会完全消除所有物质,或者如果科学家们幸运的话,它可能只是改写了自然法则。

宇宙仍然存在的事实表明,由于其他未知力量的作用,它比科学家们的模型显示的更稳定。希格斯玻**可以帮助科学家们揭开这些力量。

物理学的“圣杯”:希格斯玻**的简史

它还可能为另一个**存在的谜团提供新的线索,即为什么宇宙很久以前没有自我毁灭。科学家们目前的模型表明,大**产生的物质和反物质应该是等量的,但如果是这样的话,所有的物质都会在数十亿年前发生碰撞并湮灭。这显然没有发生,表明由于某种未知的原因,创造的物质比反物质多出一部分。希格斯粒子可以帮助科学家们们弄清是什么让“天平”向我们倾斜。

这些深刻问题的答案可能就在眼前。7月初,大型强子对撞机启动了第三次运行,其能量比以前更高。而在2029年,该设施将作为高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)开始新的探索,在一次重大的技术升级之后,将比以往任何时候都更深入地探索物理学。希格斯玻**将是这些实验中的一个核心内容。

  • 发表于 2022-11-29 13:38:27
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  • 分类:科技

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mr王
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