LHC:迎接后上帝粒子时代

2014/11/24 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

具备更高能量的LHC将于2015年投入使用  

  

  LHC的CMS探测器 图片来源:CERN 

  如果某种粒子看上去很像希格斯粒子,且性质也很接近,那么它很可能就是标准的希格斯玻色子。这是欧洲核子研究委员会(CERN)利用大型强子碰撞型加速装置(LHC)得出的最新研究结果。物理学家一直在尝试描绘于2012年发现的希格斯玻色子。到目前为止,每一项测试都证实这种新发现的粒子非常符合标准粒子物理学模型所描述的希格斯玻色子。希格斯粒子理论最早于1964年由Robert Brout、Francois Englert和Peter Higgs 3人共同提出,除了Brout于2011年逝世失去领奖资格外,另外两人都于2013年获得了诺贝尔奖。

  事实上,科学家一直在迫切地探寻该理论的偏差,因为这可能会将物理学带入一个新阶段。例如,如果希格斯玻色子衰变的速度与模型所预期的速度存在细微不同,那么这意味着还有另一种全新的未知粒子参与到衰变过程中。不过,最新研究结果并没有找到有未知粒子参与到衰变过程的证据。

  下一阶段,具备更高能量的LHC将于2015年早期投入使用,为科学家提供更多的研究机会。通过LHC,科学家或许能建立新的物理学理论,从而更全面地解释整个宇宙。美国莱斯大学物理学家Paul Padley负责LHC的紧凑缈子线圈(CMS)实验,他说:“希格斯玻色子的发现并不是结束,而是新研究的开始。我们接下来10年的工作就是详细研究希格斯玻色子。”

  物理学家刚开始利用LHC研究希格斯粒子时,主要是通过它衰变成为其他玻色子的过程加以鉴别。希格斯粒子能衰变成为规范玻色子,后者是携带能量的粒子,例如携带电磁力的光子;希格斯粒子还能衰变成W玻色子和Z玻色子,它们携带有弱作用力。现在,CMS的研究者在《自然—物理学》上报告称发现了希格斯粒子衰变成为费密子的证据,后者为一类粒子,例如电子和夸克,原子便由它们组成。虽然标准模型预测希格斯粒子会衰变成为费密子,但却没有事先就对此作出定论。

  科学家认为希格斯玻色子与不可见的遍布全宇宙的希格斯场有关,粒子在希格斯场中运动,与希格斯场相互作用从而获得质量。最初发现的希格斯粒子能够衰变成为其他类型的玻色子证明了希格斯场能与玻色子相互作用。现在,最新研究则证明希格斯场也能与费密子相互作用。该发现证明了一个科学设想,科学家可以用一种单一的标准希格斯玻色子模型解释所有粒子获得质量的方式。但还有一些假设认为,希格斯玻色子不仅只有一种,希格斯场也不是只有一个,每一种希格斯玻色子和希格斯场都与一些特定的粒子相互作用,给予粒子质量。

  匹兹堡大学理论物理学家Ayres Freitas说:“最新发现并没有排除存在其他希格斯玻色子的可能性,但它有力证明标准模型需要作出调整。此外,也可能全宇宙只存在两种希格斯玻色子,大多数情况下它们‘通力协作’,共同给予粒子质量。”

  LHC下一阶段的研究将为物理学家提供更多数据,他们也许能证明或者排除存在多种希格斯玻色子的可能性。就目前来说,物理学家还不确定希格斯玻色子衰变成为费密子的速度。此外,他们对于希格斯场与费密子相互作用的强烈程度也所知甚少。Freitas说:“这种相互作用的强烈程度可能与标准模型所预计的程度有出入,这种偏差可能就是第二种希格斯玻色子存在的线索。”如果其他种类的希格斯玻色子确实存在,具备高能量的LHC或许有能力将它们描绘出来。

  当LHC初次投入使用时,它所能输出的最大能量为8兆电子伏特,升级后,其所能输出的最大能量可达13兆电子伏特——这得益于超导磁体技术的改进,使加速器长度达到27公里,在地下围成一个圆环。更强大的磁场促使质子以更快速度进入加速器圆环内,确保当它们对撞爆炸时能产生更强磁力。升级后的LHC还将这些对撞的质子束缚得更紧密,让光束更密集——物理学上将之称为“亮度”更大,这样能促使质子对撞得更猛烈。总而言之,物理学家希望下一阶段LHC转化的希格斯玻色子的数量是原先未升级时转化数量的300倍。

  Freitas说:“更高的转化率意味着物理学家能更准确地衡量希格斯玻色子的性质。例如,新研究数据能揭示希格斯场与多种粒子相互作用的强烈程度,例如玻色子和费密子,这一速度或许是原先预想的2倍甚至3倍。升级后的LHC为我们提供了机会去发现原先发现不了的东西,不过我们对这些未知事物的性质一无所知。”

  标准模型没有将粒子的超对称性涵盖在内,该理论认为它是每一种已知粒子的基础特性,即每一种费密子都应当有一种玻色子与其对应。一旦该理论成立,这将为物理学打开一片新天地。到目前为止,还没有研究能证实这种超对称性存在,但升级后的LHC本身就能创造出这种超对称性粒子。就算LHC没能做到这点,它也能以微妙的方式证明该性质的存在。例如,当希格斯玻色子衰变成为各种粒子时,这些与之对称的粒子可能会以量子“幻影”的模式呈现——时而出现时而消失。如果科学家能更准确地衡量希格斯玻色子的衰变速度,他们将更容易证实这种超对称性是否存在。

  Padley说:“一些科学研究的真谛不在于什么重量级的新发现,而在于纠正那些我们原本存在认知偏差的理念。”

  标准模型也没有考虑到暗物质的存在。科学家认为暗物质是一种不可见的粒子,它不与普通粒子相互作用,不过暗物质是整个宇宙质量的最大组成部分。费米国立加速器实验室CMS研究者、伊利诺伊大学的Richard Cavanaugh说:“希格斯玻色子与其他粒子相互作用给予后者质量,因此希格斯玻色子也许能与暗物质粒子相互作用。”如果希格斯粒子真的能衰变成为暗物质粒子,它们将在研究者毫不知情的情况下脱离出LHC。尽管研究者无法直接探测到它们,但暗物质粒子的脱离会体现在剩余粒子的减少上,这种减少能从侧面证明暗物质粒子的存在。

  归根结底,没有人知道LHC将会带来什么,但科学家非常期待各种未知的可能性。Cavanaugh说:“此时此刻,觉得能成为一名物理学家真的是太美好了,一想到我的工作,每天早上我都会笑醒。”(段歆涔)

  《中国科学报》 (2014-07-09 第3版 国际) 

http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201407/t20140710_4153476.html