重大突破!科学家首次观测到“上帝粒子”衰变

重大突破!科学家首次观测到“上帝粒子”衰变
ATLAS探测器位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织,该探测器是观测到希格斯玻色子衰变现象的两个探测器之一。
摄影:Babak Tafreshi,National Geographic Creative
 
撰文:Michael Greshko
 
  几十年来,物理学家一直在寻找希格斯玻色子——理论中的“上帝粒子”。2012年,科学家终于找到了这种难以捉摸的粒子,而且最近通过观察希格斯玻色子的衰变过程,获得了重大新发现。
 
  在两个最新的研究中,物理学家证实,欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞器(LHC)观测到了希格斯玻色子分解为成对的微小粒子——底夸克。该发现标志着理论粒子物理学取得了一项巨大成就,而且希格斯玻色子的衰变就是由理论量子物理学所预测的。这项研究称得上是几十年难得一遇的实验突破。
 
  “我们没想到真的能观测到这一现象,”CERN的物理学家、超环面仪器合作机构的代理发言人Andreas Hoecker说道。“许多人,尤其是长期参与这项实验的人,对实验结果感到非常激动。”
 
  想知道希格斯玻色子、底夸克是什么以及它们为何如此重要?下面我们将一一为你介绍。
 
希格斯玻色子是什么?
 
  希格斯玻色子是标准模型理论中的关键粒子,而标准模型理论是描述已知的基本粒子和其相互作用方式的理论,或者说是描述重力在量子级别的作用方式。我们知道标准模型理论是不完整的,该理论未包括暗物质,也就是占宇宙中全部物质总质量85%的难以捉摸的那种物质。尽管如此,该理论在描述宇宙的最基本方面还是非常成功的。
 
  上世纪60年代,包括François Englert和Peter Higgs在内的物理学家更新了标准模型理论,解释了为何有些粒子没有质量,比如光子,而另一些粒子则有质量。他们认为宇宙中存在一种与粒子采用两种不同方式而相互作用的能量场。有些粒子在这种所谓的希格斯场中通过时就像什么都不存在一样,比如光子。另一些则像在糖浆中游弋一样充满阻力。正是这种阻力赋予了那些粒子质量。
 
  在粒子物理学领域,场对应粒子:在一“池”电磁场中投入一块石头,一个光子就会随之溅出。相似的,希格斯玻色子对应的就是希格斯场。
 
  经过几十年的研究,大型强子对撞器的研究者于2012年宣布发现了一种类似希格斯玻色子的新粒子,Englert和Higgs也凭借此发现获得了2013年的诺贝尔物理学奖。自从那时起,物理学者一直对照标准模型理论研究这种新粒子,以观察其特性是否与理论中的希格斯玻色子相似。从目前看来,事实的确是这样。
 
夸克与希格斯玻色子有什么关系?
 
  与可以持续数十亿年的电子不同,希格斯玻色子的生命极其短暂,持续时间不足十的二十一次方分之一秒。转瞬即逝后,希格斯玻色子就会分解为其它类型的粒子。比如说,2014年研究者宣布大型强子对撞器的两个探测器ATLAS和CMS观测到希格斯玻色子衰变为成对的伽马光子。
 
  标准模型理论还预测希格斯玻色子可衰变成夸克??淇斯灿?种:上、下、奇、粲、底及顶,它们都是原子中的质子和中子的基本构成要素。
 
  希格斯玻色子的衰变必须遵循一些重要规则。比如说,由于希格斯玻色子不带电荷,其衰变而来的新粒子结合后的总电量也是零。当希格斯玻色子分解为带电的夸克后,都会成对出现:一个夸克和一个“反夸克”。“反夸克”和夸克其它方面都一样,只是所带电量相反。这样一来,二者的电量就能相互抵消。
 
  希格斯玻色子的质量也会限制其可能的衰变结果。由于底夸克要比希格斯玻色子的质量轻30倍,因此一个希格斯玻色子分解时可以轻易衰变为一对底夸克。标准模型理论认为,当一个希格斯玻色子衰变时,有58%的可能性分解为底夸克-反底夸克对。这一预测是标准模型理论的决定性试验:如果研究者无法观测到希格斯玻色子分解为底夸克,那么人类对宇宙运行机制的理论则将会被推翻。
 
  “标准模型理论将无法容纳有关希格斯玻色子的假设,”Hoecker说道。
 
  现在,研究者利用ATLAS和CMS探测器分别观测到希格斯玻色子能分解为底夸克对,这充分表明理论与事实相符合。
 
研究者是如何探测到希格斯玻色子的衰变的?
 
  早在上世纪80年代和90年代,当科学家首次构想出大型强子对撞器时,物理学家就明白探测到希格斯玻色子衰变多么困难,Hoecker说道。大型强子对撞器在接近光速的情况下将两束质子流相撞,由此在对撞器内部产生大量的粒子流。这一粒子流中包含大量不同的粒子,其中许多看起来都像是希格斯玻色子的底夸克衰变。
 
  物理学家必须利用探测到的衰变粒子反推一个质子流碰撞是如何发生的,有点类似通过检查车祸后的残骸和轮胎压痕推测一次重大交通事故是如何发生的。
 
  经过多年的数据收集,ATLAS和CMS团队的研究者通过模拟和机器学习算法解释了除希格斯玻色子衰变之外的一切现象。截至2017年,物理学家已经收集了用于证明希格斯玻色子衰变的足够数据。到了今年6月,科学家们非??隙ㄊ占降氖莶⒎桥既?。
 
  “这真的是一个极其复杂的过程,仅数据分析就有一个近100人的团队在做,”Hoecker说道。“总的来说,采集数据,操作ATLAS探测器,校正探测器……工作量大的无法想象。整个项目大约有3000位科学家参与。”
 
为何新发现如此重要?
 
  举例来说,研究者进一步发现了物质是如何获得质量的。这在我们认识宇宙的征途上又是一个巨大进步。
 
  此外,由于希格斯玻色子在标准模型理论中具有重要地位,即便是理论与现实之间的细微差异就有可能开创新的物理学领域。如今,既然物理学家已经知道LHC探测器能够探测到底夸克衰变,那么他们就会开始研究这一衰变是否打破了任何规则。
 
  “随着每一年收集到更多的数据,我们希望发现实际观测与预测结果是否存在差异,”Hoecker说道。“没必要去想偏差必须要大,通常在物理学中,精确性才是最重要的。”
 
  我们可能发现宇宙的什么隐藏规则呢?Hoecker表示,在希格斯玻色子揭示更多秘密之前,科学家都无法确认:“我们只能继续心怀谦卑地研究,自然会告诉我们答案。”
 
(译者:流浪狗)
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