解讀2013年諾貝爾物理學：什麼是希格斯粒子

新浪科技訊 2013年諾貝爾物理學授予彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒(Fran·ois Englert)，以表彰他們對希格斯玻色子(又稱“上帝粒子”)所做的預測。那麼，到底什麼是希格斯玻色子呢？

希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是，理論上認為它應當是構成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實驗觀測證實。科學家們提出的物理學準模型預言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會擁有質量。根據這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場和與之相對應的粒子 ——希格斯-玻色子一同形成。正是這個場賦予其它基本粒子以質量的屬性。

為何這一粒子如此重要？

希格斯場賦予整個宇宙中其它粒子以質量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力來做比喻。如果粒子沒有質量，它們便可以在宇宙中以光速前進，因為質量的本質便是對物體改變其速度的制約性。

這種粒子最早是什麼時候被提出來的？

有關這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的皮特希格斯(Peter Higgs)教授。他們當時提出這一粒子的目的就是為了解釋質量的起源。

理論上，這一粒子的存在將正好補全描述整個宇宙如何運行的物理學準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。

如何對其進行搜尋？

歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)是人類有史以來建造的最強大的粒子加速器，它的工作原理是將兩束質子流以接近光速的速度迎頭相撞，在此過程中得到其它粒子。

在1989年至2000年之間，科學家們也曾使用同樣位於歐洲核子中心的另一台加速器LEP進行搜尋工作，而由於經費不足被關停之前，美國的Tevatron加速器也進行過對這一神秘粒子的搜尋工作。

科學家們如何能知道自己究竟是否發現了這樣的粒子呢？

如果在LHC加速器中進行的數以十億計的對撞實驗中真的生了希格斯-玻色子，根據預測，它應當是不穩定的，會迅速衰變為更加穩定，質量更小的粒子。物理學家們需要對這些衰變物進行分析，並且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。在分析過程中，希格斯粒子是否存在會從數據圖形的峰值中體現出來。[NT:PAGE=$]

六點重大影響：

1. 揭開質量起源之謎

物體的質量是怎麼來的？這個問題一直困擾物理學界，而希格斯玻色子恰恰被認為與宇宙中一切物體的質量起源有關。希格斯玻色子與一種場有關，那就 是所謂的希格斯場，理論上認為這種場充斥整個宇宙。當宇宙中的其它粒子在這一場中運行時便獲得了質量的屬性。這就有點像是大家都在一個游泳池裏游泳，然 后身上都會被打濕，在這裏，被水打濕就像是物體獲得質量一樣。

美國哈佛大學物理學家傑奧哥斯達(Joao Guimaraes da Costa)表示：“希格斯粒子的機制讓我們能夠理解粒子獲得質量的途徑和方式。” 哥斯達是去年歐洲核子中心宣佈疑似希格斯粒子發現時，大型強子對撞機(LHC)所屬ATLAS探測器設備的準模型召集人。他：“如果沒有這種機制，那 麼所有的一切物體都將失去質量。”

確認此次發現的粒子確實是希格斯粒子將證明我們設想的粒子獲得質量屬性的方式是正確的。美國加州理工學院物理學教授瑪利亞斯皮羅普魯 (Maria Spiropulu)表示：“這項發現從量子層面支持了我們對於質量來源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項無與倫比的成就。”

而后，這將進一步為一個更深層次的問題提供解決的線索，那就是：為什麼這些粒子擁有這一質量數值？這個值是如何確定的？對此，哈佛大學物理學家 麗薩蘭德爾(Lisa Randall)表示：“這是一個大得多的問題。確認這的確是希格斯粒子只是整個過程的第一步，此后我們才能更往前走，這兩者之間是相互聯繫的。”

2. 完善準模型

準模型是當代粒子物理學的基石，它描述了整個宇宙中所有的粒子。所有被準模型所預言的粒子此前都已經被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣 布初步結果時，歐洲核子中心ATLAS實驗設備科學家喬納斯斯蘭德伯格(Jonas Strandberg)就曾表示：“這是準模型中缺失的一環，因此如果這一發現得到最終確認，那麼它將最終證明我們目前的認識是正確的。”

到目前為止，科學家們所發現的這一疑似希格斯粒子似乎和準模型中預言的性質相吻合。但即便如此，準模型本身也並不完整：例如它沒有包括引力，也沒有將被認為佔據整個宇宙物質總量約98%的暗物質成分考慮進去。

美國費米國家實驗室CMS中心的物理學家帕提麥克佈雷德(Patty McBride)在上周四表示：“即便有證據清晰地證明目前我們新發現的這一粒子確確實實就是準模型所預言的希格斯玻色子，即便如此我們對宇宙的認識仍 然模糊不清。”他：“我們仍然不能理解為何引力如此微弱，我們還要面對巨大的暗物質的存在。不過，對於這一已經有48年曆史的經典理論來，邁出了完善 的第一步仍然不失為一件令人高興的事。”

3. 電弱相互作用

確認希格斯粒子還將對電弱相互作用的構建生重要影響。這種作用是對電磁作用與弱相互作用的統一描述，這兩者都是自然界的基本力類型之一。電磁作用描述帶電粒子之間的相互作用，而弱相互作用則描述放射性衰變過程。

自然界中所有力的作用都和某種粒子有關。比如與電磁力有關的粒子是光子，這是一種質量為零的特殊粒子。而弱相互作用力則和名為W和Z的玻色子有關，這兩種粒子都擁有很高的質量值。而所有這些粒子的質量來源，便被認為是希格斯玻色子的作用造成的。

歐洲核子中心的斯蘭德伯格表示：“如果引入希格斯場的概念，那麼W和Z玻色子就會和這個場混雜在一起，在這一過程中它們便獲得了質量。”他：“這解釋了為何W和Z玻色子會有質量，並將電磁作用和弱相互作用兩種基本力統一了起來，構成電弱相互作用。”[NT:PAGE=$]

4. 超對稱理論

超對稱理論也將受到希格斯粒子發現的影響。這一理論認為任何一種已知的粒子都有一個“超級伙伴”粒子，這種伙伴粒子擁有輕微差異的性質。超對稱 理論擁有很大的吸引力，因為它可以統一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭開暗物質構成之謎。然而到目前為止這一理論的前景黯淡，科學家們只找到了和 準模型預言的希格斯粒子性質極其相似的粒子，但是卻沒有能發現任何和超對稱粒子有關的線索。

5. 大型強子對撞機

大型強子對撞機(LHC)是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設備率屬於歐洲核子研究中心(CERN)，其目的是創建地球上能 級最強大的粒子加速器設施。而其中找出希格斯玻色子則被列為了該設備的最優先目標之一。此次最新宣佈的結果為LHC此前的結果提供了強有力的證明，也是對 此前一直在這裏為達成這一目標而忘我工作的物理學家們所取得豐碩成果的最好證明。

斯皮羅普魯在去年的一份聲明中表示：“這項發現從量子層面支持了我們對於質量來源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項 無與倫比的成就。”他：“科學家們已經等待了整整一代人的時間，為的就是這一刻。來自全世界各地大學和研究機構的粒子物理學家，工程師和技術人員們已經 為了達成今天的這一成就奉獻了數十年的辛勤工作。現在是時候讓我們暫時停下腳步，回過頭去審視這項發現的意義了，然后再繼續進行海量的數據收集和分析工 作。”

希格斯玻色子最早是在1964年由英國物理學家皮特希格斯和同事們提出的。而這個名字的后半部分則是為了紀念傑出的已故印度物理學家和數學家 玻色，他與愛因斯坦一同給出了玻色子的定義。玻色子是一類基本粒子，主要包括膠子和引力子等。其負責傳遞費米子之間的相互作用，如夸克，電子和中微子等 等。費米子是宇宙中的另外一種基本粒子類型。

6. 宇宙的命運

希格斯玻色子的確認將為科學家們開啟一扇大門，讓他們得以進行此前無法進行的一些計算。其中一些計算的結果有關宇宙的命運。有一種觀點認為宇宙將在未來數十億年內毀滅。

在進行這樣的計算時，希格斯玻色子本身的質量是一個非常關鍵的參數，它預示了時空的未來命運。目前的測量值顯示，希格斯玻色子的質量約為質子的126倍，這一質量值几乎已經處在了一個臨界點上，它將有可能讓宇宙在未來數十億年內走向毀滅。

約瑟夫林肯(Joseph Lykken)是美國費米國家實驗室的物理學家，他表示：“計算的結果告訴我們，在數十億年之后宇宙將可能面臨災難。”他：“這或許意味我們所生活於其中的這個宇宙本身存在內在的不穩定性，在數十億年之后這一切都將歸於瓦解。”