2012年7月,整个世界与希格斯玻色子面对面:一种闪闪发光的小光,像奇妙仙子一样在我们的屏幕上跳动。等等,这不对。
虽然物理学家跳欢呼“看见”希格斯玻色子——这难以捉摸的希格斯场组成的粒子,使粒子获得质量——事实是,他们实际上看到一大堆数字,图表和通用数据告诉他们,希格斯玻色子被发现。甚至说它是被“侦测到”的,也需要一些解释。
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据报道,收集的数据在5 σ的确定性水平。你可能听说过“5 σ”表示著名的玻色子不存在的几率为350万分之一。但没那么快。和许多物理新闻一样,它比这要复杂得多。5 σ置信水平实际上意味着,即使希格斯粒子不存在,欧洲核子研究中心的工作人员也有350万分之一的几率看到同样的结果。换句话说,即使希格斯玻色子不存在,也有350万分之一的几率找到希格斯玻色子。
所以如果科学家们欧洲核子研究组织)没想到会在舞台剧《彼得·潘》(Peter Pan)里看到类似道具的东西,他们在找什么?很长一段时间,物理学家都对电子和夸克等粒子具有质量这一事实感到困惑。他们没有羞辱那些组成原子和分子的小家伙;只是他们对对称宇宙的数学表示并不可行,除非粒子是无质量的[来源:格林].
彼得·希格斯和他的一些物理学家同事有一个想法。与其试图弄清楚如何修改和设计所有这些方程,以适用于质量粒子,为什么不保留数学,并添加一个假设,即粒子在一个对它们施加阻力的场中运行?如果是这样的话,我们可能会在这个“场”中发现一种物质,通过产生阻力来增加粒子的质量。想象一只苍蝇在空中嗡嗡作响;在遇到强烈的逆风之前,它一直都很好。突然,我们快速的小苍蝇感到很重。所以当我们的粒子在希格斯场中挣扎时也是如此。
当然,物理学家们并不是在寻找某种我们都在不知不觉中游泳的通用枫糖浆。相反,他们在寻找可能构成希格斯场的粒子,他们认为,如果他们能在之后立即重现条件,他们的搜索可能会成功大爆炸。在这些条件下,我们可以看到夸克和轻子之类的东西是如何飞行的,以及希格斯玻色子之类的东西是否也被创造出来,以提供质量,让它们聚集成复合粒子,如质子[来源:STFC]。
大型强子对撞机就像纳斯卡赛车(NASCAR)的赛道,用于赛车的质子群(还有一些重离子)。这些质子以相反的方向绕着近17英里(27公里)的圆周快速运动,并以每秒数百万次的速度相互碰撞。格林].当它们发生碰撞时,复合粒子喷射到它们较小的部分——夸克和轻子。产生的能量可以让我们看到碰撞中产生的非常非常重的粒子。
从这里我们开始“看到”像希格斯玻色子这样的东西。大型强子对撞机的探测器测量质子碰撞释放出的粒子的能量和电荷。这些探测器不是收缩的紫罗兰——大型强子对撞机最大的探测器有82英尺(25米)高,同样宽。它们需要这么大,因为巨大的磁铁被用来弯曲粒子的路径
如果我们在磁场中弯曲粒子的路径,我们可以看到它们的不同反应——一些动量很大的粒子仍然会走直线,那些动量较小的粒子会紧紧地螺旋旋转。欧洲核子研究中心].因此,动量是研究人员和物理学家在困惑某一特定粒子的身份时可以研究的有用信息。
探测器中的跟踪装置也很方便。追踪装置记录粒子通过探测器时留下的电子信号,从而使计算机能够对粒子的路径进行图形化表示。
探测器内的量热计也有助于识别。量热计测量粒子在碰撞后损失的能量,它在探测器内吸收粒子。然后,物理学家可以研究这些粒子发出的辐射,这有助于他们确定特定粒子的一些更独特的标识符[来源:欧洲核子研究中心].
那么希格斯玻色子是什么样的呢?我不想让你失望,但重点是我们看不到。这只是个小粒子,伙计。别疯了。我们看到的是,嗯,图表。和数据。所有那些详细描述粒子路径、能量、衰变产物等的噪声数据都被探测器收集起来,合成成冷冰冰的数字。这些数字表明,“过量事件”的发生表明希格斯玻色子的存在[来源:欧洲核子研究中心].
现在不要太失望。欧洲核子研究中心的好朋友们知道我们想要什么:展示希格斯玻色子的漂亮图片。如果你确实想看到碰撞的图形模拟,请查看CERN网站上一些(非常令人满意的)希格斯粒子“看起来”是什么样子的行动[来源:欧洲核子研究中心].
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