希格斯粒子的提出者走了

作者: 陈缮真

来源: 中国科学报

发布日期: 2024-04-15 22:21:05

2024年4月8日,英国粒子物理学家彼得·希格斯离世,他预言的希格斯粒子在粒子物理学中占有重要地位,是赋予其他粒子质量的关键。希格斯粒子的发现过程历经半个世纪,最终在2012年被欧洲大型强子对撞机发现。希格斯粒子的研究不仅解决了现有理论中的问题,也为未来的物理研究提供了方向。

2024年4月8日,英国粒子物理学家彼得·希格斯离世了,享年94岁。他是一位低调、谦卑的物理学家。他预言了后来以其名字命名的“希格斯粒子”,而他为数不多的关于希格斯粒子的论文成为粒子物理学发展过程中最重要的突破之一。

希格斯粒子在粒子物理学理论体系中有着极为重要的地位。它是自然界基本粒子中唯一的标量玻色子,更重要的是,它能够为其他粒子赋予质量。然而,希格斯粒子行踪隐秘,从它在理论上被提出到在实验中被观测到,跨越了近半个世纪。其间,粒子物理学标准模型建立并完善,而寻找希格斯粒子始终是这门学科的主线任务之一。

在粒子物理学发展史上,1964年是充满奇迹的一年。

这一年,有3组物理学家分别在8月、10月和11月独立发表论文提出了一种机制。他们假定了一种特殊的场,这种场在与其他粒子相互作用的过程中能够通过自发性的对称性破缺过程赋予其他粒子质量。这3篇文章后来被统称为“1964年对称性破缺文章”。于是,这种机制便被一些人以这6位提出者的名字命名,被称为恩格勒-布绕特-希格斯-古拉尼-哈庚-基博尔机制。后来,由于历史的机缘巧合,这种机制被更多的人称作希格斯机制。

该机制中被假定的场称为希格斯场,而希格斯场自身的量子化激发就是希格斯粒子。

然而,彼得·希格斯本人对“希格斯粒子”这一名字并不满意,他认为其他人的贡献同样重要,而仅仅使用“希格斯”命名会忽略其他有贡献的科学家。更让他不满的是“希格斯粒子”的另一个名字,也是公众更为熟知的名字——“上帝粒子”。彼得·希格斯是无神论者,他认为这一具有宗教色彩的名称有悖于科学研究的初衷。

将希格斯粒子称作“上帝粒子”的起源是美国物理学家利昂·莱德曼在1993年出版的一本科普著作《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》。当时,利昂·莱德曼领导了周长达87公里、造价高达80多亿美元的超导超级对撞机建设。该项目的重大目标就是寻找希格斯粒子。

1994年,欧洲批准了建设欧洲版“超级对撞机”的计划,建造一个周长27公里,横跨瑞士、法国两个国家的巨大设备,即大型强子对撞机。后来,这台设备没有让科学家失望,它建成投入运行后真的发现了希格斯粒子。

2012年7月4日,在粒子物理学史上是值得铭记的一天。这一天,欧洲核子研究中心举办了一场特殊的报告会。欧洲大型强子对撞机上运行的两个实验的合作组分别发布了过去一年多来实验数据的分析结果,他们同时发现了希格斯粒子——标准模型中的最后一块拼图。

2012年的发现和2013年的诺贝尔奖,并不是关于希格斯粒子研究的终点,而是未来研究的开端。中微子为什么有质量、最轻的基本粒子和最重的基本粒子间质量为什么差了15个数量级、暗物质的质量从哪里来、宇宙演化及其宿命与粒子质量的关系是怎样的……宇宙有太多的谜题和质量有关系。而对这些问题的理解,离不开对希格斯粒子的深入研究。

2012年9月,在希格斯粒子被发现的两个月后,中国科学家提出了在中国建造下一代正负电子对撞机的计划。这个新的正负电子对撞机的主要运行能量就锁定在了240个GeV。而欧洲也在不久后提出了类似的设想。目前,全世界有超过10个不同设计、不同技术路线的希格斯工厂倡议,其中相对成熟的、已发表概念设计报告的有4个。可见,国际粒子物理学界形成了建造下一代正负电子对撞机的共识。

2023年12月,经过10年的努力,中国科学家率先完成了建设下一代对撞机所需技术的系统性研究,发布了中国版下一代正负电子对撞机的技术设计报告。2024年2月,欧洲科学家也发布了欧洲版下一代正负电子对撞机的可行性分析中期报告。未来,对希格斯粒子的进一步研究将会为新物理理论的发展指明方向,这些研究将会帮助人类进一步了解宇宙。

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