为什么要寻找“上帝粒子”澳门新葡萄京集团3

来源:http://www.timer-motor.com 作者:科技中心 人气:124 发布时间:2019-12-26
摘要:世界上一切物体都是有质量的,我们在中学学习牛顿定律的时候,就把这当成理所当然的事情了。 大型强子对撞机隆隆开动,令不少普通人对物理学科充满了好奇。本报采访了中国科学

世界上一切物体都是有质量的,我们在中学学习牛顿定律的时候,就把这当成理所当然的事情了。

大型强子对撞机隆隆开动,令不少普通人对物理学科充满了好奇。本报采访了中国科学院高能物理研究所陈国明研究员等专家,普及微观粒子的一些基本知识。

可是,为什么物体会有质量?一直到上世纪50年代,好像也没有人认真地想过这回事儿。

问:什么叫强子?

世界上有些人就爱刨根问底儿,他们要寻找物质世界构成、运转的基本结构、基本规律,寻找这世界何以会如此的终极真理。

答:所谓强子,就是一种亚原子粒子,所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。亚原子粒子是指比原子还小的粒子。要理解“强作用力”,必须先知道目前自然界中人类已知的四种“力”。普通人比较容易理解的是万有引力和电磁力,但其实在微观世界中,还存在弱相互作用力和强相互作用力。在微观领域,由于万有引力相对于其它三种是如此之小,以致于可以被忽略,所以科学家重点探讨的是其余三种力在粒子层面的表现。

20世纪初期的时候,物理学家们好像已经找到了终极真理,他们认为,世界上一切事物都由原子构成,而物质世界的运动都受重力和电磁力的支配。

问:到底有多少微观粒子?

但是后来,人们发现,原子并不是构成世界的最基本粒子,原子内部也是有结构的:原子由原子核和电子构成,原子核由质子和中子构成,而质子和中子也不是基本粒子,它们是由各种夸克构成的。深入到这样的结构中后,物理学家发现,支配物质运动的不仅仅有我们日常生活中能够感受到的重力和电磁力,还有我们日常生活中无法感受的“强力”和“弱力”。

答:对于专业研究人员来说,往往要同数十种粒子打交道;但对普通人来说,了解基本粒子层面就可以了。任何物体都是由分子构成,分子由原子构成,原子由原子核和绕核旋转的电子构成。原子核由质子和中子构成,质子和中子都由夸克和胶子组成。目前为止,夸克、胶子和电子未发现有更深层次的结构,因此被称为基本粒子。已知有六种夸克,它们是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克,而胶子只有一种。

事情到这一步变得很混乱,用诺贝尔奖得主、标准模型建立者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说,那是“一个充满挫折与困惑的年代”。物理学家必须致力于寻找一种统一的理论,来描述所有这些基本粒子及各种力出现的机制。

问:何为“希格斯玻色子”,为什么科学界对它如此热衷?

物理学家们真是聪明,聪明得匪夷所思。到上世纪60年代,物理学家们真的构造出了一个标准模型,那上面使用的语言是我们普通人想破了脑袋也理解不了的,但我们只要知道结论就可以了——标准模型描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力(还差重力没有包含进来)以及所有基本粒子的构成机制。

答:希格斯玻色子44年前由英国物理学家彼得·希格斯预言,视之为物质的质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础,又被称为“上帝粒子”。希格斯提出,其他粒子是受希格斯玻色子的作用而产生了质量,由此世界上的万事万物也都有了质量。这套“粒子物理标准模型”的理论,有很多关于粒子的预言都陆续被实验证实了,只有最关键的希格斯玻色子至今未被找到。因此,如果借助LHC产生的超高能量深入物质内部,最终找到神秘的希格斯玻色子,也就证明物理学家辛苦建立的标准模型没有错,它的确阐释了宇宙最基本的规律。

要了解一点这个标准模型的神奇性,通过这一点就可见一斑了。标准模型中引入了英国物理学家希格斯提出的一种机制,通俗地理解是这样:空间中充满着希格斯粒子,当加速基本粒子时,容易碰撞希格斯粒子者就较难加速,碰撞几率较低者即容易加速。由此可以说,物质本身无所谓质量,质量是物质与希格斯粒子的相互作用。

问:这次开动的强子对撞机如何运行,多久能出结果?

可是就是这样一个叫人匪夷所思的模型,它的更神奇之处在于,基于这个理论的很多预言居然被一个又一个激动人心的实验证实了。当1995年3月2日,美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时,被标准模型预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证!

答:首批质子将以接近光速的速度走通27公里环形隧道。这条环形隧道堪称一个“超级大冰箱”,其中的超导磁铁温度只比绝对零度略高一点。

但是还剩一个幽灵没找到,那就是让所有物质获得质量的,在标准模型中占有基础性地位的,被一些人称为“上帝粒子”的那个——希格斯粒子。

经过一段时间调试,在首批质子束流走通对撞机并运行稳定后,再注入与其平行的第二束质子束流反方向运行。在相向平行运行的两束质子束流稳定之后,再经过几天至几个星期的极其复杂细致的同步调整,才可能开始实现两束质子束流的对撞。这还只是刚刚开个头,科学家希望寻找的答案,包括寻找“希格斯玻色子”等目标,都要经过相当长一段时间才有可能产生结果。

一定是个“大块头”

为什么希格斯粒子到现在还没有找到?原因其实也很简单,说起来很容易理解:它的质量一定足够大,以往使用的粒子对撞机能量还不够大,还不足以把它撞出来。

基于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 以及其它加速器所做的工作,科学家推断希格斯玻色子的质量在114至185 GeV之间。

寻找理论假设中的希格斯粒子的另一个困难是,它极不稳定,如果确实存在,它将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变,因此要想捕捉到它极不容易。

事实上希格斯就认为,费米实验室的Tevatron加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据,“只是还没有从数据分析中找到而已”。

但是有一个“大家伙”的建成和投入使用,已经使科学家们获得了足够的信心:由于它所达到的能量已经足够大,因此这将是一个判决性实验——如果真有希格斯粒子存在,它一定能探测到,不像以往的实验设备存在漏网的可能性;反过来的说法也成立,如果它仍然不能探测到希格斯粒子,就说明这东西根本不存在。

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