“上帝粒子”

2012年7月4日，瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）宣布發現新亞原子粒子，疑似“上帝粒子”。至此科學家們對這種賦予其他粒子以質量的神秘粒子的探尋，終于達到了頂點，他們深信“上帝粒子”的存在，找到它只是時間的問題。但對于解開“上帝粒子”的神秘面紗，物理學家仍然在孜孜不倦地探索著。到底什么是“上帝粒子”？它對物理學的進展有什么重要性？為什么在實驗中很難找到它的蹤影呢？本文將逐一闡述。

一、希格斯粒子的提出者

提到“上帝粒子”，不得不提到英國物理學家彼得-希格斯，他出生于英格蘭泰恩河畔紐塞，以提出“希格斯機制”與“希格斯玻色子”而聞名于世。而“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼對希格斯粒子的別稱。

二、希格斯玻色子——“上帝粒子”

1.希格斯粒子的理論概述

（1）什么是希格斯玻色子？

希格斯粒子是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子（具有整數倍的自旋量子數），所以也叫希格斯玻色子。它被認為是物質的質量之源。根據量子場論，所有的粒子都是分布在全空間的場。場的最低能量狀態叫“真空態”，隨著能量的提高出現場的單粒子態、雙粒子態、三粒子態等。而這個“真空態”并不是一無所有，因為場的最低能量并不為零。而我們所在的宇宙空間中充滿了希格斯場，這種量子場可以解釋為什么夸克和電子之類的基本粒子帶有質量而希格斯玻色子則是相對于基態的希格斯場激發態。希格斯場與其他所有基本粒子的場都不同的是，它在宇宙誕生那一刻，真空態經歷了瞬間的破缺，變成現在這個樣子。正是這個瞬間破缺給了每一種基本粒子靜質量（光子和膠子除外）。

（2）標準模型與希格斯粒子

標準模型是一套描述強相互作用、弱相互作用以及電磁相互作用這三種基本相互作用及組成所有物質的基本粒子的理論。它把基本粒子分為三類：夸克、輕子與玻色子。標準模型被物理學家們寄予很高期望，是通往終極的一個理論。然而它自身有兩個很重要的缺陷：（1）標準模型中包含了過多的參數；（2）該理論中沒有描述重力，即其無法解釋物質質量的來源，因此標準模型所預言的希格斯粒子始終未能在實驗中發現。萊德曼曾對希格斯粒子憂心忡忡，認為它是一個阻止我們獲得終極知識的“大壞蛋”。

在粒子物理學的標準模型中，總共預言了62種基本粒子，其中61種都已被驗證，唯獨希格斯玻色子始終游離在物理學家的視野之外。找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學經典理論大廈的最后一塊基石，如證明它不存在，整座大廈就要被推倒重建。根據標準模型，希格斯玻色子預計是存在的。物理學家們相信，希格斯玻色子賦予了所有其他粒子質量，在宇宙大爆炸后對宇宙的形成起著決定性作用。然而長期以來，那些相信希格斯玻色子能夠解釋為什么物體有質量的物理學家們都無法找到希格斯玻色子。費米實驗室質子—反質子對撞機（Tevatron）以及歐洲大型強子對撞機（LHC）等大型核粒子加速器都在不斷地尋找著希格斯玻色子和其他亞原子物質。無疑最近的發現對繼續尋找希格斯粒子是一個巨大的突破。

2.尋找希格斯玻色子的意義

為什么希格斯玻色子如此重要？主要有兩個原因：（1）它是標準模型中唯一還沒有被發現的粒子，因為它的質量最大，以前加速器的能量都無法把它轟出來，只有LHC可以。（2）和電子、光子等我們耳熟能詳的基本粒子不同，它是個奉獻者，是其他粒子靜質量的來源。如果沒有希格斯玻色子，世界會變成什么樣？那樣的世界里，由于沒有靜質量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在運動。由于基本粒子間傳遞相互作用的速度就是光速，于是意味著難以存在由夸克形成的穩定原子核。而電子若靜質量為零，更意味著不可能形成原子、分子。這樣，宇宙中便不會出現各式各樣的星球，更不會出現生命。

3.希格斯粒子為什么萍蹤難尋？

要研究希格斯場，最直接的辦法就是用高能粒子互相轟擊來產生希格斯粒子。把質子加速到接近光速來對撞。由于產生希格斯粒子的概率非常低，而希格斯粒子的理論壽命又極短，即它是不穩定的，會迅速衰變為更加穩定、質量更小的粒子，所以它不能被直接觀測到，只能通過分析它衰變的產物來間接探測它的存在以及研究它的性質。在分析過程中，希格斯粒子是否存在，可以從數據圖形的峰值中體現出來。然而，即便科學家們發現了這樣的峰值，他們也不能就此宣布發現了希格斯粒子，只有他們確認這一信號是統計誤差的概率低于百萬分之一時才能比較有把握地宣布發現的結果。

參考文獻

[1]江東向.什么是希格斯粒[J].物理教學，1997（19）.

[2]梁劍.希格斯與他的“上帝粒子”[J].現代物理知識，1999（21）.

[3]方宇寧.希格斯玻色子的發現及其科學意義[J].世界科學，2012（8）.

（責任編輯黃春香）