希格斯玻色子

1、希格斯说希格斯玻色子将很快被发现据新华社日内瓦2008年4月12日电在40多年前预言了希格斯玻色子存在的英国物理学家彼得·希格斯，日前在参观欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）时对媒体说：“几乎可以确定，很快就可以发现希格斯玻色子。”希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，它是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种未被证实的粒子，但是它的存在却是整个“标准模型”的基石。 因此，它被称为粒子物理学的“圣杯”，也被称为“上帝粒子”，充满了神秘色彩。自从希格斯预言这一粒子存在以来，科学家们就一直试图在实验中发现该粒子从而证实其存在，但至今所有努力均告失败。于2003年开始兴建的欧洲大型

2、强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中，耗资总计约20亿美元，预计将于今年6月正式开始运行。届时，它将凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下，能够在前所未有的对撞能量下取得包括发现希格斯玻色子在内的新发现。不过希格斯认为，发现希格斯玻色子未必一定需要大型强子对撞机的帮助。他说，迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron）可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据，“这是可能的希格斯玻色子的身影可能已存在于他们获得的数据中了，只是还没有从数据分析中找到而已”。新闻资料粒子物理学

3、的“圣杯”希格斯玻色子人们早已发现，自然界中物体之间千差万别的相互作用，可以简单划分为4种力：即引力、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用力。在爱因斯坦的相对论解决了重力问题后，人们开始尝试建立一个统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，它把基本粒子（构成物质的亚原子结构）分成3大类：夸克、轻子与玻色子。“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷，那就是该模型无法解释物质质量的来源。为了修补上述理论大厦的缺陷，英国科学家彼得·希格斯提

4、出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。“标准模型”预言了62种基本粒子的存在，这些粒子基本都已被实验所证实，而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。因此，寻找该粒子，被比喻为寻找粒子物理学领域的“圣杯”。寻找上帝粒子Higgs boson一、Higgs boson的前世今身从上世纪初的兴起和繁盛，粒子物理学在50年代经历了一个短暂

5、的困难时期，几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题，这些困惑激励着物理学家们给出新的解答，从60年代开始，基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论，逐步构建完成了现代的标准模型理论（the Standard Model Theory）。今天，标准模型早已成为粒子物理学的主流理论，它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力（the strong nuclear force）、弱作用力(the weak nuclear force)及电磁力(the electrom

6、agnetic force)这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。      标准模型包含费米子及玻色子两类-费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

7、      标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。Higgs boson，也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，Higgs boson负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破

8、缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场Higgs场来实现谓Higgs机制。通过Higgs场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的Higgs boson粒子。这样我们也就明白了为何希格斯粒子

9、如此重要的原因，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，将使整个标准模型失去效力。而LHC就是为了寻找Higgs是否存在而设计的，这个拥有前所未有的规模的大计划拉开了粒子物理的新篇章，关系到Higgs的存在与否，人们异常关注它的动态。 二、踏上寻找Higgs boson的漫漫征程LHC是西欧核子研究中心（CERN）正研发致力于寻找Higgs boson的大型质子-质子对撞机（Large Hadron Collider ），之所以引人注目的是它的规模，位于法国与瑞士边境交界处地下周长27公里的环形加速器，经过20年的准备和筹

10、划，投资数十亿欧元，拥有来自世界各地的6000余位专家，共有ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS），CMS（Compact Muon Solenoid），ALICE（A Large Ion Collider Experiment ）和LHCb四个探测器单元。主要捕获并分析碰撞后的碎片，除了Higgs，寻找超对称粒子（sparticles）和其它可能的新物理，研究电弱对称性破缺机制也是LHC的重要目标。从能量来看，单它的质心系能量就达到惊人的14 TeV(

11、0;electron-volts)，并可使每秒发生数十亿次的质子对撞，这是前所未有的，目前拥有最高能量对撞的是美国费米实验室的Tevatron加速器，使质子-反质子对撞能量达到2 TeV，虽然14 Tev的能量不超过14只飞行中的蚊子的能量，但当它集中在如此小的体积时就使实验中的能量密度是惊人的，也是目前在实验室中所能产生的最高的，拥有如此的优势，LHC的前景极为可观，人们均把寻找Higgs的希望寄予它，然而寻找Higgs的主要希望在ATLAS和CMS两个探测器，这两个探测器的就是为寻找Higgs而设计，针对碰撞后的碎片进行彻底而仔细的分析，从中去捕捉Higgs存在最细微的

12、证据，当LHC开始运作时，大量的（数量级 ）质子直接被加速到7 TeV，当质子接近探测器时由于电磁场作用而相互集中，以提高对撞的几率，按照如此，每次粒子束经过时约有20个质子碰撞，大多数只是擦过，很偶然的情况下会有两个相对运动的质子中的夸克对撞，对撞释放能量之大足以产生大量新粒子，包括Higgs和超对称粒子，如果它们真的存在。然而问题的复杂之处在于Higgs和超对称粒子极不稳定，它们瞬间即可衰变为标准模型里的普通粒子，所以只能从探测器所得的它们的衰变产物中去推断其存在与否，由于粒子运行速度基本等于光速，粒子通过整个ATLAS探测器仅用时30 ns，而紧接着另一批由

13、于碰撞而产生的粒子则在25 ns后到达，然而情况不容乐观，每次碰撞的碎片中包含着1000多种粒子，而其中每一种粒子都必须进行分析以重新构建最初碰撞时的情景无论是发现Higgs的存在还是排除Higgs存在的可能性，都是LHC的首要任务，因此ATLAS似乎就是针对寻找Higgs而设计的。只有找到Higgs的衰变产物才能肯定它的存在，而Higgs的衰变途径有很多种，每种衰变类型与Higgs的质量有关，但是Higgs的质量依然未知，从先前实验我们认为Higgs的质量必须高于114 ，同时理论要求它的质量小于1 ，如果Higgs有一个相对低的质量（120 左右），

14、它会衰变为一个底夸克和一个反夸克，不幸的是，要把它们和其他夸克区别开非常困难，一个低质量的Higgs也会衰变成两个光子，不过这种概率很低，一千次衰变中只发生一次。如果Higgs拥有较高的质量（180 以上）它极可能衰变为一个W boson和一个Z boson，最容易识别的方式是衰变为一对Z boson，然后衰变为一对电子或介子，由此可以较为容易地得到Higgs。探测介子对于实验至关重要，当Higgs衰变为一对Z boson后它们分别变成一对介子。然而数据分析又是另一个挑战，储存所有的数据完全不可能，所以探测器已被设定好会自动选择最重要的数据，大概只有0.25%的数据会被接受，巨型而功能强大的计算机会对数据进行进一步分析，将需要物理学家分析的数据减到最少，大概每秒100个事件，已经比较容易操作。探测器预计在2007年中期建好，而CERN这个宏伟的探索计划将持续多年，而LHC的先进性将使CERN在粒子物理方面领先10年。三 如果没有Higgs boson？ 如果LHC没有发现任何Higgs存在的痕迹，人们的确会很失望，但是这绝不意味着LHC是毫无意义的投资，在LHC中质子碰撞时前所未有的巨大能量会把物理学家带进一个未知的新世界，这里有太多可供探