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正负质子对撞机|希格斯玻色子:打开暗物质世界大门?

2022-08-04 08:49     来源:澳大利亚“对话”网站     LHC

7月1日报道,10年前,科学家宣布发现了希格斯玻色子,这有助于解释为什么基本粒子(自然界中组成各种物体的最小单位)具有质量。对粒子物理学家来说,这意味着长达数十年且极其艰难的旅程宣告结束——而且可以说是这一领域有史以来最重要的成果。但这一结束也标志着实验物理学新时代的开端。

发现颇具挑战性

过去10年里,对希格斯玻色子性质的测量结果证实了人们对粒子物理学标准模型的预测。但它也对这一模型的局限性提出了问题,比如是否存在一种更根本性的自然理论。

物理学家彼得·希格斯在1964年至1966年间的一系列论文中预言了希格斯玻色子,认为希格斯玻色子是让基本粒子具有质量的机制所产生的不可避免的结果。这一理论表明,粒子质量是基本粒子与希格斯场相互作用的结果。根据标准模型,这样的场域还应该会产生希格斯粒子——这意味着,如果希格斯场里不存在希格斯玻色子,那最终将意味着整个理论是错的。

但以下事实很快就变得显而易见了,即发现这种粒子颇具挑战性。当三位理论物理学家计算出希格斯玻色子的性质时,他们道歉了:“我们要向实验者道歉,因为我们不知道希格斯玻色子的质量是多少……我们也不确定它与其他粒子的耦合强度……因此,我们不想鼓励大家进行大型实验,探寻希格斯玻色子。”

直到1989年,人们才第一次真正有机会发现希格斯玻色子,并开始进行这项实验探索。这一想法是借助高能量让粒子相互碰撞,从而能在位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心一条约26公里长的隧道中产生希格斯粒子——这是有史以来建造的最大正负电子对撞机。这台对撞机运行了11年,但结果证明,其最高能量比产生希格斯玻色子所需的能量还低了5%。

与此同时,有史以来最雄心勃勃的美国对撞机——“正负质子对撞机”——已经在靠近芝加哥的费米实验室开始收集数据了。正负质子对撞机利用5倍于在日内瓦已实现的能量让质子和反质子相碰撞——这肯定足以产生希格斯玻色子。但质子和反质子对撞会产生大量“碎片”,从而使得从数据中提取信息变得困难得多。2011年,正负质子对撞机停止了运行——希格斯玻色子再次逃过了探测。

宇宙或突然“相变”

2010年,欧洲大型强子对撞机开始用7倍于正负质子对撞机的能量让质子相互碰撞。最终,2012年7月4日,欧洲核子研究中心进行的两项独立实验各自收集到了充足数据,足以宣布发现了希格斯玻色子。接下来的一年,希格斯及其合作者弗朗索瓦·恩格勒特因“在理论上发现了一种有助于我们理解亚原子粒子质量起源的机制”而获得了诺贝尔奖。

这其实低估了其价值。如果没有希格斯玻色子,以最小尺度来描述粒子物理学的整个理论框架就会崩塌。基本粒子会没有质量,不会有原子存在,不会有人类,不会有太阳系,也不会有宇宙结构。

然而,这一发现提出了新的根本性问题。欧洲核子研究中心的实验继续对希格斯玻色子进行探究。其性质不仅决定了基本粒子的质量,而且还决定了其稳定性。目前的情况是,研究结果表明,我们的宇宙并非处于完全稳定的状态。相反,与临近熔点的冰类似,宇宙可能会突然经历快速“相变”。但是,这不是像从冰变成水那样,从固体变为液体,而是会涉及极其重要的变化,改变一切——以及宇宙中的自然法则。

然而,“宇宙看起来是稳定的”这一事实表明,计算中可能漏掉了某些东西——某些我们尚未发现的东西。

存在新未知力量?

在停机3年、进行维护和升级后,大型强子对撞机如今恢复碰撞实验,继续以前所未有的高能量进行,以两倍于探测到希格斯玻色子时所用的能量来进行。这可能有助于发现被我们遗漏的粒子,而这种粒子能让我们的宇宙不再处于稳定和快速变化这二者之间的不确定状态。

这一实验还有助于回答其他问题。希格斯玻色子的独特属性会使之成为打开暗物质世界的大门吗?暗物质不带电荷,希格斯玻色子拥有与不带电荷的物质相互作用的独特方式。

这种独特属性让物理学家质疑希格斯玻色子是否可能根本就不是基本粒子。除了大自然中的重力、电磁力、弱核力和强核力之外,有可能存在一种新的未知力量吗?也许是一种将迄今为止未知的粒子束缚在一起、形成一个被我们称之为希格斯玻色子的合成物的力量?

此类理论也许有助于解答最近测量结果中颇具争议的结果。那些结果表明,一些粒子的行为并不像标准模型所预言的那样。因此,对于弄清楚是否存在标准模型无法解释的、有待我们去发现的物理学,研究希格斯玻色子至关重要。

专门为产生希格斯玻色子而设计的、未来的高能对撞机将使我们能够精准测量其最重要的属性,包括希格斯玻色子如何与其他希格斯玻色子相互作用。研究这种相互作用可以帮助我们探究使粒子具有质量的基本过程。

这些测量结果将产生深远影响,这些影响将远远超出对撞机物理学的范畴,将引导或限制我们对暗物质起源、宇宙的诞生——也许还有宇宙的最终命运——的理解。

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