欧洲核子研究中心发现新基本粒子
作者：布赖恩 • 达因
2012年7月14日
原文“CERN discovers new fundamental particle”是世界社会主义网站(www.wsws.org)于2012年7月5日发表的报道。
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经过近五十年的搜索，对于难以捉摸的希格斯玻色子这种对了解质量的本性有关键意义的粒子的寻找，也许已经告一段落。
欧洲核子研究组织（CERN）的最新研究结果表明，位于瑞士的大型强子对撞机（LHC）里发现的新基本粒子，极有可能是希格斯玻色子。此外，这个初步发现属于一种统计侥幸的机会率乃是三百万分之一。
新的研究结果在上周三上午在日内瓦举行的记者招待会上发表。这些成果似乎已对作为物质世界的现代理论，即基本粒子的标准模型的核心组成部分之一，给予了令人惊叹的确认。
大型强子对撞机实验结果是由紧凑渺子线圈(CMS)与超导环场探测器(ATLAS)联合发布的，这两个大型强子对撞机的通用实验的主要目的，便是一直在寻找希格斯玻色子。使用这两个探测器的物理学家们在报告里指出，新的粒子约在124至126个十亿电子伏特之间（十亿电子伏特GeV是粒子物理学家使用的一种质量单位），与标准模型预言的希格斯玻色子的质量相若。对比之下，一个质子的质量约为一个十亿电子伏特。
标准模型描述了自然界里的基本粒子。这些粒子被划分为三大类：夸克（它们的结合形成了构成原子的质子和中子及其他粒子）；轻子，包括了围绕原子核运行并在化学反应中至关重要的电子；以及规范玻色子，即大自然根本力量的载体。
在玻色子当中有光子，是负责转递电场和磁场力量的，还有胶子，是将夸克连接成更大的复合粒子，防止夸克孤立地存在。 而W和Z玻色子是传递弱核力的，这涉及到铀、镭等重原子核的放射性衰变。
标准模型非常好地解释了基本粒子之间的相互作用（例外的是引力的相互作用，它们尚未完全与标准模型相协调）。然而，如果没有希格斯玻色子，便无法解释粒子质量的起源。
在粒子物理学的标准模型里，粒子与“希格斯场”的相互作用是生成基本粒子质量的一个假想机制。这一早就被理论所预测到的场是与一种粒子的存在相对应的，而这种粒子只有在非常大的能量下才能观察到，例如大型强子对撞机的粒子加速器所产生的能量。正是这个理论的预测，构成了实验问题的对象。
虽然该发现意义重大——即确定了这是一种新的基本粒子——它还没有严格地确认了是希格斯玻色子。该粒子本身的特点还没有得到充分认识，这将需要额外几个月的研究。已知的是新粒子的质量和粒子可衰变的三种不同的方式。这是由粒子如何在大型强子对撞机中被发现所决定的。
所有的粒子对撞机都是通过增加相对撞的光束里粒子的数量，同时增大每个粒子的能量，将极大的能量集中到一个微小的空间内，而产生粒子的。
大型强子对撞机里所有加速了的粒子的总能量，在任何时刻，都相当于173公斤TNT炸药，而且在不到半毫米直径的空间内发生碰撞。
每个粒子都含有这总能量的一小部分，而正是这些粒子进行互相撞击。由于产生粒子需要的能量相当于其质量，在碰撞中发现的新粒子的质量又比其他粒子更大，这就需要非常高的能量。换句话说，撞击的能量之作用就是作为一种宇宙里过剩的能量，然后以新粒子的形式被转换成质量。因此，越是高能量的撞击，意味着产生质量越大的粒子，如希格斯玻色子。
然而，大多数的重粒子是极不稳定的，会迅速衰变成质量较轻的粒子。虽然希格斯玻色子衰变太快而无法观察，其衰变产物——它留下的粒子——却是可以检测的。衰变的具体形态就是粒子的“信号”。粒子物理学界对新粒子为希格斯玻色子极为乐观是因为这样的综合情况，这种新发现的粒子的质量接近于希格斯粒子的预测质量，外加三个预测中的希格斯粒子信号。希格斯粒子之所以如此难以探测，原因是它的信号很容易与其他更常见的过程混肴。
如果这种新粒子确实是希格斯粒子，这将完成一场于1964年由彼得 • 希格斯、罗伯特 • 布罗特、弗朗索瓦 • 恩格勒特、杰拉尔德 • 古拉尔尼克、C.理查德 • 哈根和汤姆 • 基布尔等人所开始的搜索。这种假设粒子的起源，来自于解决统一掌管电磁力与负责重原子核衰变，如铀、镭的所谓“弱”力这些根本问题的需要。如果将这些力合并成一种“电弱”力，那么负责这些力的粒子将只能是无质量的。然而，人们已经观察到，三种已知粒子中有两种已经超过80个十亿电子伏特，而第四种预测中的粒子（很快便得到证实）将有约90个十亿电子伏特。为了解释这一现象，上述物理学家们都提出了由希格斯玻色子掌管的有名的希格斯机制，它详细解释了已知粒子的质量是如此不同的确切原因。
在此框架下，质量是基本粒子与希格斯场相互作用的副产物。这些相互作用是不断发生的，而希格斯玻色子就像弹子般随着它们被其他基本粒子发射和吸收而处于飞快地生与灭的状态。
这个想法很快就被扩展到粒子物理学中的另一个更普遍的问题：去解释每种粒子的质量。目前，每种基本粒子的质量不是可以从理论上预测的东西，而必须经实验确定。了解质量的起源——及与此相应地，整个物质世界的起源——是现代物理学的一个重大问题，而希格斯玻色子的发现，预期将会更充分地澄清这个问题。
这些发表的结果显示了人类认识物质世界的伟大能力，而不论这可能与我们的日常交往的直觉相反。这表明，人类事实上是可以认识事物的，并利用这些知识来预测对宇宙的新发现。毫无疑问，许多陌生的事物将在未来的几个月和几年里在粒子物理等领域透露出来，然后人们会加以理解，并使用它们去预见更伟大的发现。
对新粒子的深入研究将在今年下半年发生，而当大型强子对撞机在2014年全面达到设计能量时，这将是主要的研究领域。希格斯玻色子得到完整的确认，将关上物理学上的一个重要篇章，并且开启新的篇章。科学家们将拥有预测粒子质量的能力，但理论会与已收集的数据相吻合吗？此外，还有大量其他要回答的问题，如构成大部分已知宇宙的暗物质和暗能量。
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