发现“上帝粒子”(1)
今年7月4日，位于日内瓦的欧洲原子核能中心向全世界宣布，找到一种新亚原子粒子，这种粒子与之前预言构成质量的“上帝粒子”即希格斯玻色子特征一致。对于物理学家来说，这次发现就像“哥伦布发现美洲大陆”。
“上帝粒子”为什么是质量之源？
物质有质量，这是众所周知的事实。问题是，物质为什么有质量？这个问题牵扯到粒子物理学。科学家认为，自然界中物体之间的相互作用可划分为4种力：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。在爱因斯坦相对论解决了引力问题后，人们开始尝试建立统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。为此，科学家建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，该理论把基本粒子分成3大类：夸克、轻子和玻色子。但这个标准模型有个缺陷：无法解释物质质量来源等问题。
为了修补这一理论的缺陷，1964年，英国爱丁堡大学物理学家希格斯提出“希格斯场”的存在，并进而预言希格斯玻色子的存在。希格斯理论提出，在宇宙诞生的最初，并没有希格斯玻色子(也称希格斯粒子)的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子诞生，形成了“希格斯场”。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。如果没有希格斯粒子，其他的基本粒子就会仍然以光速运行，不能聚合在一起，我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，根本不能组成物质，生命也无从谈起。所以，希格斯玻色子又被称为“上帝粒子”。
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可是就是这样一个叫人匪夷所思的模型，它的更神奇之处在于，基于这个理论的很多预言居然被一个又一个激动人心的实验证实了。1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，“标准模型”所预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去“标准模型”马上就要获得决定性的胜利，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子。
寻找“上帝粒子”的欧洲强子对撞机
为了寻找希格斯粒子，美国费米实验室的万亿电子伏特加速器运行了26年，期间发现了新粒子“顶夸克”，也逐渐逼近了希格斯粒子的“活动范围”，但希格斯粒子仍难觅踪影。为什么寻找希格斯粒子这么难？原因其实也很简单：一个困难是，它极不稳定，如果确实存在，它将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。 其次，科学家认为，“上帝粒子”的质量非常大，因此需要能量足够大的对撞机把它撞出来。欧洲核子研究中心1994年开始设计兴建欧洲大型强子对撞机。2008年欧洲大型强子对撞机正式建成。
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位于欧洲原子核能中心的大型强子对撞机是世界上最大的实验装置，它深埋在法国和瑞士的地下100米处，周长27千米。从外观上看，强子对撞机就像个巨大的管道，它发射出质子，使其以接近光速的速度撞击，从而得到撞击时释放出的电子、光子、夸克，以及偶尔撞出的希格斯粒子。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子，希格斯粒子就有可能产生在其中。由于希格斯粒子很容易衰变成其他粒子，这些粒子又会进一步衰变成别的粒子，使得寻找希格斯粒子耗时耗力。
欧洲强子对撞机的建成和投入使用，已经使科学家们获得了足够的信心：由于它所达到的能量已经足够大，因此这将是一个判决性实验——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。
然而通过强子对撞机产生上帝粒子并没有那么容易——每1万亿次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。更加困难的是，这种粒子一旦产生就转瞬即逝，因此要想捕捉到它需要进行足够次数的相撞，并进行海量数据分析。欧洲强子对撞机自2010年开始高能量运作之后，两个探测器都屡次观测到了希格斯粒子存在的迹象。经过了足够多次数的观测，欧洲原子核能中心最终确信自己已经找到了“上帝粒子”。两座各自独立的实验室都发现了这种亚原子粒子，质量范围在125吉电子伏特至126吉电子伏特之间。两家实验室都宣布，数据结果的统计确定性为5西格玛，或5标准差。5西格玛，换算成统计误差率，大约为0.00006%。在粒子物理学界，若要证实某一发现，数据统计确定性需要达到5标准差；若要作为证据，统计确定性必须达到3标准差。所以现在说是“接近发现”。
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发现“上帝粒子”只是新的开始
“上帝粒子”的发现是“标准模型”最重要的实验证明。但即便希格斯粒子的终于发现填补上了物理学“标准模型”的最后一块拼图，仍不意味着粒子物理学画上圆满的句号。发现希格斯粒子，只是稳固了既有理论体系的基础，证明了“标准模型”理论的可靠性，而在“标准模型”的基础上，科学家寻求最终的大一统的物理理论，还有很长的路要走。这是因为，物理学“标准模型”本身也并非解释物质世界一切奥秘的“终极理论”。尽管物理学“标准模型”解释了电磁力和强核力之类的基本作用力，但由于引力的作用实在太过微弱，到目前为止，一切试图将引力统一到“标准模型”内的努力都失败了。另外，对于暗能量、中微子质量、物质与反物质不平行等领域，“标准模型”也无能为力。这些将涉及更高层面的统一理论和更高维度、更高能量，甚至弦理论。
在“标准模型”之外，早就有科学家提出了“超对称理论”、“弦理论”等理论，能够解决这些“标准模型”所不能解释的问题。比如对于引力，弦理论解释称，我们只感受到了一小部分引力，引力绝大多数都作用在隐藏的其他维度之中。在对更“大一统”理论的寻求中，希格斯粒子也将起到举足轻重的作用。对希格斯粒子量子属性的研究，可进一步修正“标准模型”的缺陷，对新的理论的提出贡献现实依据。研究表明，我们目前所认知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物质占了23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。而希格斯粒子既可能与“标准模型”中的基本粒子相互作用，也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物质。这在近期天文物理学研究领域里，是很重要的论题。发现了“上帝粒子”将打开宇宙另外96%的新层面。, 百拇医药(云凡)
“上帝粒子”为什么是质量之源？
物质有质量，这是众所周知的事实。问题是，物质为什么有质量？这个问题牵扯到粒子物理学。科学家认为，自然界中物体之间的相互作用可划分为4种力：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。在爱因斯坦相对论解决了引力问题后，人们开始尝试建立统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。为此，科学家建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，该理论把基本粒子分成3大类：夸克、轻子和玻色子。但这个标准模型有个缺陷：无法解释物质质量来源等问题。
为了修补这一理论的缺陷，1964年，英国爱丁堡大学物理学家希格斯提出“希格斯场”的存在，并进而预言希格斯玻色子的存在。希格斯理论提出，在宇宙诞生的最初，并没有希格斯玻色子(也称希格斯粒子)的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子诞生，形成了“希格斯场”。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。如果没有希格斯粒子，其他的基本粒子就会仍然以光速运行，不能聚合在一起，我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，根本不能组成物质，生命也无从谈起。所以，希格斯玻色子又被称为“上帝粒子”。
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寻找“上帝粒子”的欧洲强子对撞机
为了寻找希格斯粒子，美国费米实验室的万亿电子伏特加速器运行了26年，期间发现了新粒子“顶夸克”，也逐渐逼近了希格斯粒子的“活动范围”，但希格斯粒子仍难觅踪影。为什么寻找希格斯粒子这么难？原因其实也很简单：一个困难是，它极不稳定，如果确实存在，它将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。 其次，科学家认为，“上帝粒子”的质量非常大，因此需要能量足够大的对撞机把它撞出来。欧洲核子研究中心1994年开始设计兴建欧洲大型强子对撞机。2008年欧洲大型强子对撞机正式建成。
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位于欧洲原子核能中心的大型强子对撞机是世界上最大的实验装置，它深埋在法国和瑞士的地下100米处，周长27千米。从外观上看，强子对撞机就像个巨大的管道，它发射出质子，使其以接近光速的速度撞击，从而得到撞击时释放出的电子、光子、夸克，以及偶尔撞出的希格斯粒子。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子，希格斯粒子就有可能产生在其中。由于希格斯粒子很容易衰变成其他粒子，这些粒子又会进一步衰变成别的粒子，使得寻找希格斯粒子耗时耗力。
欧洲强子对撞机的建成和投入使用，已经使科学家们获得了足够的信心：由于它所达到的能量已经足够大，因此这将是一个判决性实验——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。
然而通过强子对撞机产生上帝粒子并没有那么容易——每1万亿次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。更加困难的是，这种粒子一旦产生就转瞬即逝，因此要想捕捉到它需要进行足够次数的相撞，并进行海量数据分析。欧洲强子对撞机自2010年开始高能量运作之后，两个探测器都屡次观测到了希格斯粒子存在的迹象。经过了足够多次数的观测，欧洲原子核能中心最终确信自己已经找到了“上帝粒子”。两座各自独立的实验室都发现了这种亚原子粒子，质量范围在125吉电子伏特至126吉电子伏特之间。两家实验室都宣布，数据结果的统计确定性为5西格玛，或5标准差。5西格玛，换算成统计误差率，大约为0.00006%。在粒子物理学界，若要证实某一发现，数据统计确定性需要达到5标准差；若要作为证据，统计确定性必须达到3标准差。所以现在说是“接近发现”。
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发现“上帝粒子”只是新的开始
“上帝粒子”的发现是“标准模型”最重要的实验证明。但即便希格斯粒子的终于发现填补上了物理学“标准模型”的最后一块拼图，仍不意味着粒子物理学画上圆满的句号。发现希格斯粒子，只是稳固了既有理论体系的基础，证明了“标准模型”理论的可靠性，而在“标准模型”的基础上，科学家寻求最终的大一统的物理理论，还有很长的路要走。这是因为，物理学“标准模型”本身也并非解释物质世界一切奥秘的“终极理论”。尽管物理学“标准模型”解释了电磁力和强核力之类的基本作用力，但由于引力的作用实在太过微弱，到目前为止，一切试图将引力统一到“标准模型”内的努力都失败了。另外，对于暗能量、中微子质量、物质与反物质不平行等领域，“标准模型”也无能为力。这些将涉及更高层面的统一理论和更高维度、更高能量，甚至弦理论。
在“标准模型”之外，早就有科学家提出了“超对称理论”、“弦理论”等理论，能够解决这些“标准模型”所不能解释的问题。比如对于引力，弦理论解释称，我们只感受到了一小部分引力，引力绝大多数都作用在隐藏的其他维度之中。在对更“大一统”理论的寻求中，希格斯粒子也将起到举足轻重的作用。对希格斯粒子量子属性的研究，可进一步修正“标准模型”的缺陷，对新的理论的提出贡献现实依据。研究表明，我们目前所认知的世界，大概只占宇宙的4%，暗物质占了23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。而希格斯粒子既可能与“标准模型”中的基本粒子相互作用，也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物质。这在近期天文物理学研究领域里，是很重要的论题。发现了“上帝粒子”将打开宇宙另外96%的新层面。, 百拇医药(云凡)