彼得·希格斯去世,一起回到希格斯粒子发现的那天

作者: Achintya Rao

来源: 知识分子

发布日期: 2024-04-10 18:48:11

2024年4月8日,英国物理学家彼得·希格斯去世,享年94岁。他因提出希格斯玻色子理论而闻名,该理论有助于解释宇宙大爆炸后物质的形成。2012年,欧洲核子研究中心宣布发现希格斯玻色子,这一发现使希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特获得2013年诺贝尔物理学奖。希格斯的理论将继续激励后世科学家探索宇宙的奥秘。

2024年4月8日,英国物理学家彼得·希格斯去世,享年94岁。他因在60年前提出“上帝粒子”——希格斯玻色子存在的理论而闻名,这一理论有助于解释宇宙大爆炸后物质是如何形成的。2012年,欧洲核子研究中心(CERN)宣布发现了希格斯玻色子的存在。这一消息震惊了全世界。物理学家们欢呼雀跃,他们终于找到了“上帝粒子”,解开了宇宙之谜的重要一环。

这一结果,也使得彼得·希格斯和另外一位独立提出相似理论的弗朗索瓦·恩格勒特 (François Englert)获得2013年的诺贝尔物理学奖。希格斯的离去,是物理学界的巨大损失。他的理论将继续激励着后世科学家们探索宇宙的奥秘。

2012年7月4日,法比奥拉·吉亚诺蒂(前排,身穿红色上衣)在拥挤的CERN礼堂中引领掌声。

2012年7月4日午夜12点一刻,我正在急急忙忙地赶往当晚从瑞士日内瓦的粒子物理实验室欧洲核子研究中心(CERN)回家的最后一班车。过去的几个小时,我刚刚帮助完成了一篇重要文章的收尾工作(它最终被翻译成20种语言),它很快就会出现在紧凑型μ子线圈(CMS)实验室的网站。CMS是大型强子对撞机(LHC)的两个通用粒子探测器之一。当我赶往车站时,我注意到CERN的主礼堂外已经开始排起了长队。

一些有进取心的学生在入口处睡着了,他们渴望在当天上午9点开始的研讨会上获得珍稀的座位。外面的夜色晴朗而安静,但几个小时后,实验室就会变得热闹非凡。因为,今天是CMS和ATLAS(注:超环面仪,LHC探测器之一)合作宣布发现希格斯玻色子的日子。

人们在几个月前已经开始期待了,而且并不仅限于科学界。

2011年12月13日,在CERN的年终特别研讨会上,ATLAS发言人法比奥拉·吉亚诺蒂和CMS发言人奎多·托内利介绍了每个合作机构寻找希格斯玻色子的最新结果。多年来,CERN的研讨会一直得到公开广播,以服务于更广泛的高能物理学家群体,包括实验者和理论家。尽管这是一场技术性很强的研讨会,但它还是吸引了来自世界各地的数以万计的观众,包括许多记者。

事实上,CERN的IT团队被迫为其流媒体服务分配了额外的资源,既是为了研讨会,也是为了准备任何潜在的发现可能在某一天引起的关注。到2011年底,LHC已经为ATLAS和CMS提供了足够的对撞能量(7 TeV),使得合作机构能够在预计可以发现粒子的质量范围内进行搜寻。吉亚诺蒂一边说着,一边展示着ATLAS在寻找希格斯玻色子时排除的区域,掩饰不住自己的兴奋。然而,那些未经排除的区域仍然令人好奇。

在粒子加速器上寻找新的粒子涉及一些侦查工作。当两个质子在LHC中对撞时,它们可能会产生许多重粒子中的任何一种,包括以前未见过的粒子,如希格斯玻色子。但由于这些粒子不稳定,它们几乎在瞬间转变或“衰变”为更轻、更稳定的粒子,如轻子(电子或μ子)和强子(如中子)。这些衰变粒子以接近光速的速度穿过ATLAS/CMS探测器,在各个子探测器的敏感单元留下痕迹和能量沉积。

通过汇总数十亿次碰撞事件在探测器中留下的粒子轨迹和能量的最终状态,物理学家可以反过来确定碰撞中产生的原始粒子是什么。通常使用衰变产物的质量分布图来检查数据,数据中的显著凸起对应的是特定粒子的存在。

在2012年7月4日那个历史性的日子,睡了没几个小时后,我在早上6点15分乘坐电车回到了CERN。当我沿着走廊走向主礼堂时,我惊讶地看到门口排起了蜿蜒的队伍。

我在前一天晚上看到的那些进取的学生仍然排在前面。长队从礼堂入口处蜿蜒到楼梯平台,然后沿着楼梯走下;经过邮局、银行和小卖部,进入CERN的1号餐厅;它一直延伸到指向阿尔卑斯山侧翼的咖啡机,然后继续前进,排出了餐厅。由于礼堂前面的黄金位置已经预留给了高级研究人员和政要,排队的人多到可以把空位填满好几次。尽管知道他们没有办法进去,但排队的人脸上都挂着灿烂的笑容。

最终,只有少数人能够进入礼堂,聚集的人群不得不分散到实验室的几个会议室,那里将直播主礼堂的会议活动。

尽管有了这些数据,但ATLAS和CMS都对当天正式将其称为“希格斯玻色子”持谨慎态度——新粒子被隐晦地描述为具有与希格斯玻色子一致的属性。在接下来的几个月里,两个合作机构都测量了该粒子的各种属性,使他们能够证实所观察到的对象确实是粒子物理学标准模型所预测的希格斯玻色子。

2013年10月,在2012年的重大宣布后约15个月,CERN开始出现另一种不同的期待。关于当年诺贝尔物理学奖的传言已经开始流传。在没有任何保证的情况下,我们还是准备了庆祝活动。我们中的一些人决定在CERN的40号楼CMS的一半屏幕上直播瑞典皇家科学院的公告,该屏幕通常显示LHC和CMS探测器的状态。

来自CMS和ATLAS的人群开始聚集在屏幕前的自助餐厅旁边,当宣布弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯将成为最新的诺贝尔奖获得者时,整个大楼都回荡着巨大的欢呼声。人们举起香槟酒杯,庆祝合作的实验在2012年为证实1964年的理论工作所发挥的作用。

Achintya Rao是阿兰·图灵研究所的社区经理,也是英国布里斯托尔的自由撰稿科学作家。他曾在欧洲核子研究中心担任过十多年的科学传播员,最近获得了布里斯托尔西英格兰大学的科学传播博士学位。

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