上帝粒子 higgs 玻色子来了.doc

邹城一中 天文爱好者系列之 上帝粒子，higgs玻色子来了上帝粒子，higgs玻色子来了上帝粒子被发现的相关照片在瑞士和法国边界的繁华小城的地下“捉”到神秘粒子。疑似上帝粒子被发现：欧洲核子研究中心7月4日宣布，该中心的两个强子对撞实验项目均发现一种新的粒子，具有和科学家们多年以来一直寻找的希格斯玻色子相一致的特性。希格斯玻色子是最后一种未被证明存在的基本粒子，由于它难以寻觅又极为重要，因此也被称为“上帝粒子”。（证券时报快讯中心）疑似上帝粒子被发现：欧洲核子研究中心地上部分。（证券时报快讯中心）疑似上帝粒子被发现：大型强子对撞机，宛如科幻世界。（证券时报快讯中心）疑似上帝粒子被发现。（证券时报快讯中心）CMS实验的巨大探测器，是欧洲大型强子对撞机找到希格斯-玻色子的主要设备之一。（证券时报快讯中心）探测器中显示的粒子对撞后形成新粒子的运动轨迹图片，由欧洲核子研究中心于2011年12月13日发布。什么是希格斯玻色子希格斯玻色子是物理学标准模型当中最后一个待发现的粒子。7月4日欧洲核子研究中心（CERN）的科学家宣布，在寻找希格斯玻色子的过程中，他们发现了一个新粒子，与希格斯玻色子有吻合之处。一般认为，大约要到今年年底，才有可能确认它是否真是希格斯玻色子。标准模型是我们当前人类对自然界的一个基本物理理论。它告诉我们自然界4种力中的3个电磁力、强力和弱力是如何发挥和实现作用的。标准模型的理论分成两部分，一部分是“杨振宁米尔斯规范场理论”（Yang-Mills Gauge Theory），在强相互作用和电磁相互作用中，杨米理论是发挥作用的，但在弱相互作用中，杨振宁米尔斯规范场理论要发挥作用还需要希格斯玻色子的配合。理论上，希格斯玻色子将为杨米理论中传递弱相互作用的粒子赋予质量，使得弱力成为短程力，符合实验的结果。这种质量赋予是怎样进行的呢？真空中希格斯玻色子的场可以处于一个非常特殊的状态，理论上叫做凝聚态，打个比方就像稀糖浆或者蜜糖这样的状态。当别的粒子经过这个“稀糖”时，也就是经过希格斯玻色子场的这个凝聚态时，就获得了质量。（实际上，每种玻色子总和一定的场相对应。）总而言之，希格斯玻色子本身有3个极其重要的理论意义：一是它是标准模型中的最后一个待发现的粒子；二是它给杨振宁米尔斯规范场理论中传递弱相互作用的粒子赋予了质量；此外呢，实际上，希格斯玻色子给几乎所有的基本粒子以质量，除了传递电磁相互作用的光子和传递强相互作用的胶子。希格斯 与 希格斯玻色子 希格斯是位腼腆和谦恭的学者，提出希格斯玻色子理论后，他低调地在苏格兰首府爱丁堡生活了数十年。直至4日，他突然造访欧洲核研究组织总部，与其他科学家一同出现在新闻发布会。灰色西装，白色开领衬衫。当希格斯走入发布会现场时，全场起立，喝彩欢迎。媒体记者一拥而上，老人显然有些惊慌。“难以置信，”老人说，“居然在我的有生之年发现了它。”当年与希格斯共事的一些科学家开始回忆希格斯玻色子理论问世之初所遭受的磨难和挫折。在学术上跟随希格斯多年的物理学家阿兰沃克说，希格斯第一篇有关玻色子的论文，原本打算在权威杂志物理快报上发表，但投稿遭拒。“他（希格斯）当时说，好吧，他们不懂，”沃克说。后来，几经修改，希格斯的第二篇论文发表在美国期刊物理学评论上，那是希格斯有关玻色子的设想第一次公开发表。谈到希格斯这个人，沃克说：“他脾气相当温和，非常绅士，但在物理学上他有些固执。”有意思的是，当别人提到“希格斯玻色子”时，希格斯总是诚惶诚恐，因为他觉得“不配用自己的名字”命名这种粒子。而且，他对“上帝粒子”的外号更加反感，因为他坚称自己是无神论者。希格斯出生在英格兰，他的父亲是英国广播公司的音效工程师。受第二次世界大战影响，希格斯童年教育并不连贯，有相当长的时间在家学习。后来，他在伦敦大学国王学院物理学系获得学士、硕士和博士学位。希格斯在学术生涯中获得多个重要荣誉称号，获奖无数。英国皇家学会、英国物理研究所、欧洲物理学会、美国物理学会都曾授予他重要奖项。许多年来，虽然他不曾获得诺贝尔物理奖，但始终是评选委员会考虑的备选人物。希格斯从来不忘记当年与他一同创立理论的同伴。4日这天，他邀请比利时科学家弗朗西斯科恩格勒与他一同出席发布会，同席而坐。恩格勒今年79岁，在发布会现场老泪纵横。恩格勒说，欧洲核研究组织的这一发现“极其重要”，因为他们的理论“终于找到了位置”。 宣告发现上帝粒子2012年7月4日，全球大部分的粒子科学家则聚集在澳大利亚墨尔本，准备第二天召开的国际高能物理大会。此时，瑞士日内瓦的欧洲核子中心（CERN）异乎寻常地宣布，将公布某项研究结果。世界屏住呼吸，听完了全长两个多小时的报告，得到这样一个结果：“我们发现了一种新的玻色子，很可能是希格斯玻色子，但我们必须确认它是哪一种希格斯玻色子。”如雷的掌声爆发了，世界沸腾了！这句话意味着，在经历了四十多年的寻找后，世界上最难找的粒子将凸显原形。希格斯玻色子，俗称“上帝粒子”，这个陌生的词，却是我们理解宇宙起源最重要的一个密码，因为，它赋予其他物质以质量。有物理学家说，“这次发现就像哥伦布发现了新大陆。”标准模型的故事2012年7月4日之后，欧洲核子中心的官方主页很自信地贴出一行大字：“希格斯玻色子触手可及，我们对宇宙的认识即将改变！”希格斯玻色子是何方神圣？它为何能左右我们对宇宙的认知？这个故事，要从40多年前的标准模型建立开始说起。上个世纪60年代，物理学家彼得希格斯创建了“标准模型”理论，而另外3位物理学家，完善了这个理论。此后，标准模型成为认识物质世界的理论基础，其意义就像进化论之于生物学界。根据标准模型，宇宙诞生时，出现了62种粒子和四种力，这些粒子大部分转瞬即逝，只有质子、中子和电子才构成了今天的物质。其余61个粒子在半个世纪中被人们一一发现，它们都证实了标准模型。物理学家验证和纠正标准模型的过程，是产生诺贝尔奖的富矿，很多人都为此去了斯德哥尔摩。据统计，历届诺奖物理学奖至少有四分之一是和标准模型及夸克理论相关的。著名华人物理学家丁肇中，便凭此获得了诺贝尔物理学奖。但这个“美妙”的理论只剩最后一块拼图，这块拼图就是希格斯玻色子。由于这块拼图苦寻不至，人们把它称为“上帝诅咒的粒子”，久而久之，就简化成了“上帝粒子”。为了说明“上帝粒子”的重要性，希格斯创建了一个特别的概念“希格斯场”。希格斯认为，在宇宙大爆炸过程中，形成一种无形却到处存在的场，上帝粒子就存在于这个场内。当有些粒子与上帝粒子遭遇时，它们会降低速度，获得质量，而另一些粒子则会不受阻碍地继续前进。如果这个假设为真，那标准模型就可以得到彻底的验证，而如果不存在上帝粒子的话，这个“完美”的标准模型显然出了问题，理论学家需要重新书写整个理论。耗资90亿美元不过，这条验证之路走得颇为艰辛。自然界的“上帝粒子”是在宇宙诞生之初存在的，并不存在于今天的世界中，如果要寻找它，则必须人工还原宇宙大爆炸时的场景。这就是欧洲核子中心打造的世界最大实验项目大型强子对撞机（LHC）的目的：人工模拟大爆炸，人为地创造“上帝粒子”。但是无论对于理论物理学家还是实验物理学家来说，压力都是存在的。压力最大的就是希格斯本人，整个实验的造价高达90亿美元，来自全球各国近1万名科学家，长达几十年的工作，都是为了证实或者证伪他所提出的理论。爱丁堡大学教授希格斯似乎将过去的岁月沉寂在隐士的生活中，虽然60年代时，年轻的他曾因“标准模型”获得国际声誉，但是，在过去的十年，人们对这个造价昂贵的对撞机到底能否找到“上帝粒子”的怀疑让他变得焦虑起来。在这个过程中，一些新的理论也逐渐出现，试图挑战标准模型的权威。有的理论学家甚至认为，“上帝粒子”可能实际上并不存在。欧洲核子中心主席豪威尔2010年在接受本报记者采访时说，无论是找到还是找不到希格斯玻色子，结果都是同样令人惊喜的，如果找不到的话，则意味着物理学界新的可能性。事实上，对于LHC这寻找物理界圣杯的行为来说，结果的可能性不光只有“找到”和“找不到”两种可能：希格斯玻色子是一种名叫玻色子的粒子，如果符合标准模型要求的话，则是希格斯玻色子，但如果不符合的话，也有可能是其它形式的玻色子。现在，CERN的官方说法是，找到了一种符合希格斯玻色子条件的新粒子。其意思是，科学家们找到了一种新的粒子，它产生的范围符合理论学家针对希格斯玻色子出现的计算范畴。而主席豪威尔则对外说：“对于外行来说，我们是找到了；对于内行来说，还需要进一步确认。”费米实验室主任皮尔奥登则是这么表达他的看法的：“如果它看着像是只鸭子，走路也像只鸭子，那它就是一只鸭子。”科学界或许并不相信眼泪，但这一次，老希格斯的眼泪，令全世界为之动容。这位83岁的老人说，“很高兴我能活着看到这一天的到来”。数千亿次撞击后,“上帝粒子”开始浮现 在过去的几十年中,曾有一批科学家在位于美国伊利诺伊州费米实验室的地下工作多年,希冀能够找到“上帝粒子”,但他们后来却不得不中止了寻找。在十多年里使用万亿伏特粒子加速器产生了5000亿次粒子撞击后,他们面对的不是“上帝粒子”,是金融危机。去年,美国财政预算困难闹得沸沸扬扬,这些科学家的粒子加速器也因为资金问题随之被关闭,他们不得不中止了研究。报道说,在美国最终关闭费米实验室的万亿伏特粒子加速器之前,科学家们做了最后一次实验:加速器分别射出两束粒子流,在磁力的控制下,粒子流以稍稍低于光速的速度做圆周运动,眨眼之间就穿过长达27公里的地下管道,互相撞击、能量四溅,如此美景就如宇宙诞生之初的爆炸一般。但在美国停下脚步的同时欧洲却没有停止。因为只有两个独立的不同实验都指向同一种结果,这才是真正的科学发现。深埋在法国和瑞士边境土地100米之下的,是一台造价100亿美元的大型强子对撞机,这是迄今为止,人类所制造出的最强大的粒子加速器,它于2008年才开始运作。然而,不断的小伤小病一直让这个庞然大物处于检修过程之中,耽误了科学家们寻找“上帝粒子”的进程。早在欧洲原子核能中心4日的发布会之前,各大媒体已经沸沸扬扬地报道了人类寻找“上帝粒子”的征程,希望欧洲这边可以给出一个最终的答案。出人意料的是,仅仅在几天之前,2012年7月2日,美国能源部下属的费米国家加速器实验室正式宣布,该实验室通过分析此前留下的数据发现,他们已经接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯-玻色子的存在。(方洲)发现希格斯玻色子的重要学术与现实意义迄今为止，物理学的标准模型的分成两个部分，一个就是杨振宁米尔斯规范场理论，另一个就是与希格斯玻色子有关的对称性破缺的理论。杨振宁米尔斯理论在理论上是相当完美的，它能给我们很多确定的预言，而且很多都被相当精密的实验所证实。与之相比，希格斯玻色子相关的理论虽然在定性上非常重要，但是在定量上还很不完善，很不成熟。因此，如果希格斯玻色子被发现，第一个重要意义实际上就是在希格斯相关理论的定量研究上促进了物理学标准模型的完善和发展。现有的理论对希格斯玻色子的质量完全不能预言。这次欧洲科学家发现的新粒子，它的质量约为氢原子核的133倍，如果将来证实它确是希格斯玻色子，这就是一个很重要的结果。这个结果为我们将来研究基本粒子理论提供了指导性的方向。例如，在众多的未来需要探索的问题中，一个可能的方向就是，研究为什么有一种玻色子（甚或就是希格斯玻色子），它的质量是氢原子核的133倍。第二个重要意义，这次进展使得标准模型有关希格斯玻色子的部分，可能通过理论和实验在研究上进一步完善。现在有关希格斯玻色子的研究，定性方面有了一定的基础，但定量还基本没有。物理学的研究，不仅仅满足于定性的研究，还要探索定量的研究，而且是非常精确的定量研究，定量是越准确越好，使得科学知识达到准确、精密的程度。另外一个重要的理论意义，是对未来宇宙早期演化的研究具有重要的推动作用。也就是说，希格斯玻色子的研究不仅能促进我们对微观世界的理解，也能促进我们对宇观尺度的理解。这也是基础物理学里一个很有趣的现象极小尺度的现象与极大尺度的现象具有一些微妙的连接。比如说，早期宇宙某个时段的能量标度和我们现在加速器上微观粒子的能量标度是接近的（注：现在的宇宙由于自身膨胀、能量衰减，其能标已经很低了）。这次发现的新粒子的质量是氢原子核的133倍，如果证实是希格斯玻色子，这就是进一步开展研究的重要的能量标度。从现实意义上说，我有一个这样的看法：好像是一个艺术家，做出了一个很完美的艺术品，这也许和我们日常生活，吃、喝、用，不见得有什么直接联系；但是，在精神上，在科学的理解上，满足了大家的好奇心和对真知的追求，如同我们对艺术审美的需求一样。这次的科学进展，使我们在寻找希格斯玻色子的征途上又前进了一大步，使人们知道以前的标准模型在希格斯玻色子这一块定性的想法看来还是很不错的。随着研究深入和完善，将来物理学的标准模型将进一步完善，这将使得人类对自然界的认识登上一个新的高峰、铸就一个新的里程碑。CERN发现的重要价值此次，欧洲核子研究中心（CERN）学术会上公布的最新的科学研究成果，有几个十分重大的价值、重要的进展：一是新粒子在几个衰变模式当中都同时出现。当然，因为物理科学的极端严谨性，在学术会上，科学家还是说没能确定是哪个玻色子，因为从最严谨的角度讲，要在众多的衰变模式中都出现，而且都具有相同的性质，才能完全确认发现了一个新的粒子。第二个就是它的研究发现的标差达到了5，这就意味着99.99994%可信概率，这是新粒子发现的一个判据。物理学上，标差的值越高，代表可信度越高。标差5代表了99.9999%以上的可信度。在科学上必须要这么高的概率，否则，如果放在几十亿的事件和数据量中统计，它的统计误差就可能很大。举个例子，前些日子，美国费米国家实验室也宣布发现了希格斯玻色子的迹象，但是他们只有3.5的标差，这个结果就完全不能算是新发现一个粒子。第三个、也是更重要的一个发现，就是CERN确定新粒子的质量在氢原子核的133倍左右，这是一个很重要的结果。如果将来确认为希格斯玻色子，这就为相关的物理确定了一个重要的能量标度。这对下一步的标准模型里的希格斯玻色子相关理论和实验的发展，都具有指导性的意义。CERN下一步的研究方向，其实是已经规划好了的。作为近期一个重要的任务，寻找希格斯玻色子看来已经取得了比较好的进展。沿着这个方向，我相信，下一步他们将进一步“改进统计”，积累更多的数据和事例，然后在更多的衰变模式当中寻找并确认希格斯粒子。另一方面，CERN的科学家还在寻找标准模型里没有的粒子，比如超对称粒子。如果人类能够发现标准模型里没有的粒子，那将真正是具有改变世界意义的重大突破。发现标准模型里没有的粒子，将完全改变理论物理学家看待自然世界的方式。此外，CERN还在寻找一些新的物理现象，如小黑洞、附加维度等等。这些现象目前只是理论物理学家的假设和猜测，还没有形成系统的理论。寻找一些新的物理现象，这也是CERN和全世界物理学界的一个重要任务。我国粒子物理研究的开展情况简要介绍我国现在粒子物理研究的某些领域也做出了很有影响的工作，比如在大亚湾进行的中微子振荡实验，得出了一个重要的参数的数值。这显示我国对中微子振荡领域的研究，在国际上已占有一席之地。这个方面的研究，实际上也是和希格斯粒子的物理有重要的关联。中国正在进行的寻找暗物质的研究，也是一项值得期待和关注的粒子科学前沿的探索。但是，中国在这些粒子物理前沿领域的理论研究上，还需要进一步努力，去赶超国际领先水平。我国的作用构成宇宙万物的最小物质单位是基本粒子，包括夸克、电子等，而要解释这些基本粒子的质量来源，必须找到最后一种基本粒子：被称作“上帝粒子”的希格斯（）粒子。过去年，全球粒子物理学家都在苦苦追寻“上帝粒子”的踪迹，位于瑞士日内瓦市郊的欧洲核子中心与美国费米实验室是两个主要研究平台。毕业于中科大少年班的刘衍文，从年起进入日内瓦大学攻读博士，此后一直在欧洲核子中心与美国费米实验室参与科研。年，欧洲核子中心建成启用了全球能量最大的强子对撞机，来自几十个国家的数千名学者参与研究。作为来自中国的学者之一，刘衍文从参与分析第一批数据开始，经历了发现“疑似上帝粒子”的全过程。“新粒子不是一下子发现的，是长期数据积累的结果。”据刘衍文介绍，在前年上亿次数据采集、分析的基础上，欧洲核子中心的科学家们在年逐渐发现了一些新粒子存在的迹象。“到年数据中新信号的统计显著性可以让人信服，新粒子是确实存在的。”年月下旬，欧洲核子中心内部决定在月日公布这个重大发现。“从对撞机上取下最后一批数据，分析出结果，再在多人的合作组内通过评审，留给科学家的时间实际上只有两周。”刘衍文说，工作强度非常大，很多人都有连续工作通宵的经历。“目前宣布的这种新粒子，表现出的特征与理论预期极为接近，但从科学角度还不能断定它就是上帝粒子。”刘衍文透露，欧洲核子中心将从年起把对撞机能量从提高到，进一步通过实验测量其性质。“如果最终确认为上帝粒子，那么这将是人类探索自然过程中的一大步，使我们能站在一个新的高度，思考我们身处的这个宇宙。”刘衍文说，基础科学的每一个重要进步，都有可能大大推动应用科研的发展。“从科学意义上讲，发现上帝粒子比人类登上月球更重要。”在欧洲核子中心的和两大研究组，共有来自世界各国的多名科学家参与工作。“因此，很难说这种新粒子是由哪个国家或者哪个人发现的。”刘衍文认为，这个成果应该属于全人类。据了解，在欧洲核子中心参与研究的中国科学家来自五个科研单位，分别是中国科学技术大学、中科院高能物理研究所、北京大学、南京大学与山东大学。中国科研人员约占中心总人数的百分之一，其中来自中科大的团队人数最多，达到人。为寻找“上帝粒子”，中国科学家在仪器研制、设备调试、数据分析等方面作出了重要贡献，在欧洲核子中心赢得了良好的国家声誉。“欧洲核子中心给所有的外来学者提供工作环境，但不发工资。”刘衍文说，中国学者们的经费都来自于科技部、中科院与国家自然科学基金委员会。“我们能代表中国参与这一全球重大科研活动，背后是国家力量的长期支持。”部分数据仍在分析中 欧洲核子研究中心7月4日宣布，该中心的两个强子对撞实验项目-ATLAS和CMS均发现一种新的粒子，具有和科学家们多年以来一直寻找的希格斯玻色子相一致的特性。新华社消息称，ATLAS和CMS研究小组在4日上午的学术研讨会上介绍各自研究成果，分别确认目前通过大型强子对撞机取得的数据发现了在125-126吉电子伏特质量区间存在一种新的粒子，数据的确定性为5西格玛，即理论物理界可以确认“发现”的水平。研究中心主任、德国粒子物理学家罗尔夫霍伊尔在当天的记者会上说，“我们发现了一种新的玻色子，很可能是希格斯玻色子，但我们必须确认它是哪一种希格斯玻色子。”他为这一重大发现感到骄傲和欣喜，称之为人类理解自然和宇宙的“里程碑”。但对于这一新粒子是否就是理论物理标准模型中最后一个尚未被发现的希格斯玻色子，霍伊尔仍保持了科学家的严谨。“作为外行，我觉得我们找到它了。但作为科学家，我得问，我们找到的是什么?罗尔夫霍伊尔认为，这一发现为进一步研究开辟了道路，还需要更加大量的数据来确认新粒子的特性-是否与标准模