希格斯玻色子

希格斯玻色子(或称希格斯粒子)是物理学标准模型中的一种粒子。20世纪60年代,彼得-希格斯是第一个提出这种粒子可能存在的人。2013年3月14日,欧洲核子研究中心的科学家初步证实他们发现了一个希格斯粒子。

希格斯粒子是标准模型中的17种粒子之一,标准模型是描述所有已知基本粒子的物理学模型。希格斯粒子是一种玻色子。玻色子被认为是负责所有物理力的粒子。其他已知的玻色子光子W和Z玻色子以及胶子。科学家还不知道如何将引力与标准模型相结合。

希格斯场是一个对粒子物理学理论至关重要的基本。与电磁场等其他已知场不同,希格斯场几乎在任何地方都取相同的非零值。希格斯场的存在问题是粒子物理学标准模型中最后一个未被证实的部分,有人认为,这是"粒子物理学的核心问题"。

很难探测到希格斯玻色子。与其他粒子相比,希格斯玻色子是非常巨大的,所以它不会持续很长时间。周围通常没有希格斯玻色子,因为它需要这么多的能量来制造一个。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机主要就是因为这个原因而建造的。它将两束粒子加速到近乎光速的速度(方向相反),然后再将它们设置在相互碰撞的路径上。

每一次碰撞都会产生一连串的新粒子,这些新粒子会被它们碰撞点周围的探测器探测到。目前仍然只有很小的机会,100亿分之一的希格斯玻色子出现并被探测到。为了找到少数碰撞与希格斯玻色子的证据,大型强子对撞机将数万亿粒子撞在一起,超级计算机筛选出大量数据。

希格斯玻色子服从能量守恒定律,即没有能量被创造或破坏,而是可以转移或改变形式。首先,能量开始于与希格斯场相互作用的规管玻色子。这种能量是以运动的动能形式存在的。轨距玻色子与希格斯场相互作用后,它的速度就会减慢。这种减慢会减少轨距玻色子的动能。然而,这种能量并没有被破坏。相反,运动产生的能量会进入场中,并转化为质量能,也就是储存在质量中的能量。产生的质量可以成为我们所说的希格斯玻色子。所产生的质量量来自于爱因斯坦著名的方程E=mc2,该方程指出,质量等于大量的能量(例如,1千克的质量几乎相当于90四亿焦耳的能量--与2008年整个世界在大约一小时四分之一的时间里所使用的能量相同)。由于希格斯场产生的质能量等于轨距玻色子因减速而损失的动能量,所以能量是保守的。

希格斯玻色子被用于各种科幻故事中。物理学家莱昂-莱德曼在1993年称其为"上帝粒子"。

希格斯相互作用的计算机生成的图像。Zoom
希格斯相互作用的计算机生成的图像。

发现

2011年12月12日,在大型强子对撞机寻找希格斯玻色子的两个团队ATLAS和CMS宣布,他们终于看到了可以表明希格斯玻色子存在的结果;但是,他们并不确定这是否是真的。

2012年7月4日,大型强子对撞机的团队宣布,他们发现了一种粒子,他们认为这就是希格斯玻色子。

2013年3月14日,各团队又做了更多的测试,并宣布他们现在认为新粒子是希格斯玻色子。

问题和答案

问:什么是希格斯玻色子?
答:希格斯玻色子是物理学标准模型中的一种粒子。它最早由彼得-希格斯在20世纪60年代提出,2013年3月14日被欧洲核子研究中心的科学家证实存在。它是标准模型中17个粒子之一,是一种玻色子,被认为是物理力量的来源。

问:希格斯场是如何工作的?
答:希格斯场是一个基本场,它几乎在所有地方都取非零值。它是标准模型中最后一个未经验证的部分,它的存在被视为 "粒子物理学的核心问题"。当规整玻色子与之相互作用时,它们会放慢速度,其动能会进入创造质能的阶段,成为我们所说的希格斯玻色子。这个过程遵守能量守恒定律,没有能量被创造或破坏,而是可以被转移或改变形式。

问:为什么很难检测到希格斯玻色子?
答:与其他粒子相比,希格斯玻色子的质量非常大,所以它不会持续很长时间。周围通常没有,因为制造一个需要很大的能量。为了找到它们,科学家们使用超级计算机从欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)的数万亿次粒子碰撞中筛选出大量数据。即便如此,也只有很小的几率(百亿分之一)会出现希格斯的证据并被检测到。

问:还有哪些已知的玻色子?
答:其他已知的玻色子包括光子、W和Z玻色子,以及胶子。

问:爱因斯坦的方程式E=mc2与动能产生质能有什么关系?
答:爱因斯坦的著名方程指出,质量等于极大量的能量(例如,1公斤=90四亿焦耳)。当来自与希格斯场相互作用的规整玻色子的动能变慢时,这相同数量的动能就会变成我们所说的希格斯玻色子的质能--从而根据守恒定律保存总能量。

问:在理解希格斯玻色子的工作原理方面,科幻故事起什么作用?
答:科幻小说经常把希格斯玻色子作为其情节的一部分,但这些故事不一定能提供关于它们如何工作的准确科学信息--它们更多的是出于娱乐的目的!

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