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DDSSN011-「奚氏玻子(Higgs Boson)(I)」 精选

已有 6550 次阅读 2015-8-7 11:06 |系统分类:科普集锦|关键词:学者

过去这两个月来,全球「粒子物理学界(particle-physicist community)」最为关注的大事,就是欧洲核子研究组织(the European Organization for Nuclear Research;简称CERN)的粒子碰撞加速器(the Large Hadron Collider;简称 LHC),在历经停机提升其质子碰撞能量的两年后(由原来最高的 8 TeV 增加到 13 TeV,增加了约 63%;以上能量单位 TeV 「兆电子伏特」),终于于今年四月间重新启动运作,而且首批实测成果,也于今年七月底在维也纳(Vienna, Sweeden),由欧洲物理学会(European Physical Society)主办的「高能物理(High Energy Physics)」研讨会中正式发表。由于该加速器(LHC)即是前年 Pi Day2013 3 4 日),CERN 首度侦测到「奚氏玻子(Higgs Boson)」存在所使用的加速器,因此让我们先来回顾下,什么是「奚氏玻子」?它有那么重要吗?它又是怎么被测得并证实的?然后再来说明该加速器升级后,所获得的最新初步成果。

首先,依据近代「粒子物理学(Particle Physics)」中的「标准模型(the Standard Model)」理论,宇宙中所有的物质(matter),都是由17种主要的不同「基本粒子(fundamental particles)」所组成(见下图;Credit: Karl Tate, LiveScience Infographic Artist)。这些不同的粒子,依其各别质量(mass)、电荷数(charge)及旋转性(spin)的不同,又可分为「费蒙子(fermion)」和「玻子(boson)」两大类。其中,「费蒙子」又含有 6 种不同的「夸克(quarks)」以及 6 种不同的「轻子(leptons)」,而「玻子」则由含有「光子(photon)」和「胶子(gluon)」共 5 种不同的粒子所组成。特别要注意的是,在这 17 种不同的粒子中,只有「光子」和「胶子」为不具质量(massless)的粒子。此外,在所有这些粒子中,其他 16 种「粒子」的存在,在过去数十年间,都已经陆续被科学家们确认证实过了,唯独这「奚氏玻子(Higgs boson)」,在当时(2013 年)迄未被发现,甚至证实其是否真正的存在。


要了解这「奚氏玻子」在科学上的重要性,就不得不追朔到 1964 年,当年「奚格思教授(Peter Higgs;见下图;credit: Photograph by Toni Albir, European Pressphoto Agency)」即首度提出「奚氏玻子」的存在和「奚氏场(Higgs field)」的概念,并进而认为,其他「粒子」在「奚氏场」中的反应方式或互动强度,决定了这些粒子的「质量(mass)」:即反应互动大,质量就大;反应互动小,质量则小。这项「奚氏玻子」的理论和机制,在睽违了近半世纪后,终于藉由 LHC 的实验获得证实,「奚格思」教授也因其毕生投入在「奚氏玻子」上的研究和贡献,与另一位 François Englert 教授两人,共同获颁了 2013 年的诺贝尔物理学奖。

 

这种机制,就好比有天你到梵谛冈(Vatican )旅游,一个人在教堂广场前漫步闲逛,这时广场上到处挤满着其他游客,可你就是孤单单一个人,也不见有人过来和你搭讪(谁认得你啊?!)。这时突然人群一阵惊呼,只见「教宗方济(Pope Francis)」由教堂大殿出口,向广场群众徐徐走来,人群四面八方像潮水般一拥而上,争相一睹「教宗」的风釆。这是什么意思?那我告诉你,「你」和「教宗」都好比是上面所说的「奚氏玻子(Higgs boson)」,广场上的「人群」就是「奚氏场(Higgs field)」,换言之,这种引起人群信众争睹多寡的现象,显现了「教宗」和「你」在「份量」上的差异(这时你就该知道自己的「份量」了吧?!)。因此,所有那些组成物质的「粒子」之所以有不同的「质量」,端视其在「奚氏场(Higgs field)」中与「奚氏玻子(Higgs boson)」互动之强弱而定。换言之,「奚氏玻子」的存在,能解释宇宙万物之所以有不同的「质量(mass)」这个最根本的科学问题。

回过头来说,为了寻找这个「标准模型」中唯一未被寻着的「奚氏玻子」,全世界的科学家,以欧洲核子研究组织(CERN)的会员国(包括德国、英国、意大利、法国和西班牙等)为首,结合了美国、印度、苏俄和日本等国,共同集资了 30 亿欧元,前后花了近 10 年的时间,于瑞士与法国边界近瑞士日内瓦(Geneva, Switzland),地下平均深约 100 公尺处(175 50 公尺),兴建了世上有史以来能量最高、造价最昂贵、轨道全长达 27 公里的「粒子加速器(LHC, Large Hadron Collider;见下图;source: http://edition.cnn.com/2013/03/14/tech/innovation/higgs-boson-god-particle/index.html)」。主要是因为要能寻得这个「奚氏玻子」存在的唯一方法,就是要让两相碰撞的「质子」(proton-proton collision),在具有极高能量的「粒子加速器」轨道里,能以近于光速(每秒299,792,458公尺)的速度飞行。以此 LHC「加速器」为例,其使用的能量最高可达 8 TeV,同时也用了约 9600 个不同功能的超导磁鐡(保持在摄氏零下 271.3 度极冻低温下),并在 10 兆分之一的大气压力下,使「质子」加速到以逼近光速(99.9999991% 光速)的飞行速度相互碰撞。(待续)

 

 




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