浸没在宇宙海洋里的我们,如何寻找希格斯粒子?

作者: 弗兰克·维尔切克

来源: 湖南科学技术出版社

发布日期: 2018-12-11 19:00:00

本文探讨了希格斯粒子的寻找过程及其在物理学中的重要性,通过类比鱼类物理学家的研究,阐述了希格斯机制的基本原理和实际应用。文章还详细描述了实验中寻找希格斯粒子的策略和成功发现的关键过程。

我们可以推断出希格斯粒子怎样和其他形式的物质产生相互作用的,因为我们毕竟置身于这片宇宙的海洋中,而且亘古以来我们都在观察大量希格斯粒子的属性。

在很远很远的星系,有一个被水覆盖的星球,那里的鱼进化得非常聪明——有些鱼聪明到变成了物理学家,然后他们就开始研究东西都怎么运动。有一天这些鱼里头冒出一个天才——牛顿鱼,他提出,运动的基本规律不那么复杂而且很美妙:其实,这就是牛顿运动定律。按照希格斯机制的说法,我们就像那些鱼类,但我们浸没在一个宇宙的海洋里;就是这个海洋使我们观察到的物理规律变得复杂了。

涵盖了麦克斯韦方程组、杨-米尔斯方程和爱因斯坦广义相对论方程在内的零质量的粒子方程尤为美妙。遗憾的是,有几种基本粒子拒绝让我们遂愿。具体来说就是调节弱相互作用的Z玻色子和W玻色子具备相当大的质量。有没有办法解决这个难题呢?希格斯机制的实质是这样的:“真空”——既无粒子也无辐射的空间——实际上充满了一种物质媒介使W玻色子和Z玻色子具有质量。

多年来物理学者们一直都在援用希格斯机制并利用它使研究工作佳绩不断。使用无质量粒子和规范对称性的美妙方程,将推导的结果用一种填充空间的媒介物质加以调整,用这个方法可以预测W玻色子和Z玻色子之间的相互作用;包括质量在内,预测的结果在很多方面都非常准确。就这样,我们以一个令人信服的证据证明了我们自己也有一个“宇宙的海洋”存在。

我们可以推断出希格斯粒子怎样和其他形式的物质产生相互作用的,因为我们毕竟置身于这片宇宙的海洋中,而且亘古以来我们都在观察大量希格斯粒子的属性。发现希格斯粒子的关键过程就在图中。过程的第一步是要将它制造出来,主要的制造机制相当不同凡响。我们现在往图的顶部看,经过类似的动力学H衰变成两个光子——H→γγ。

利用这两大优势实验学者们设计了一个搜索的策略:先对很多“光子对”进行有效质量的测量,找到一个明显高出附近其他“光子对”的特定质量值。然后,就长话短说吧——成功了!还有一个额外的惊喜:由于能够可靠地推算背景,相对于背景的增强度可以测量H的产生率乘以它转换成γγ的分支比,然后再检查一下测出的增强值是否和最小限度H模型的预测值相符。

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