你知道吗?有一种粒子,它可以决定物质是否拥有质量,它可以变成其他粒子,它还可能隐藏着宇宙的一些秘密。这种粒子就是希格斯玻色子,也被称为“上帝粒子”。它是物理学中最重要和最神秘的发现之一,也是我们对自然界的理解的一个里程碑。
那么,希格斯玻色子到底是什么?它是如何被发现的?它在宇宙的作用是什么?
我们一起往下看。
首先,我们要了解一下什么是质量。质量是物质的一个基本属性,它决定了物质的惯性和引力。惯性是物质保持原来状态的倾向,比如静止或匀速运动。引力是物质之间相互吸引的力。我们都知道,不同的物质有不同的质量,比如铁比木头重,木头比羽毛重。
那么,为什么不同的物质有不同的质量呢?
这就要从物质的组成说起了。
我们都知道,物质是由分子组成的,分子又是由原子组成的,原子又是由原子核和电子组成的。原子核又是由质子和中子组成的,而质子和中子又是由夸克组成的。夸克是目前已知最小的基本粒子之一,它们有六种类型,分别叫做上、下、奇、异、顶、底。
不同类型和组合的夸克构成了不同类型和组合的原子核,从而构成了不同类型和组合的原子,从而构成了不同类型和组合的分子,从而构成了不同类型和组合的物质。
那么,夸克有没有质量呢?
答案是肯定的。
夸克有不同的质量,从几百万分之一到几亿分之一电子伏特(eV)。电子伏特是物理学中用来表示能量或质量的单位,1 eV大约等于1.6乘以10^-19焦耳(J)。焦耳是国际单位制中用来表示能量或功的单位。根据爱因斯坦的著名公式E=mc^2(能量等于质量乘以光速平方),能量和质量可以互相转化,并且可以用同一个单位来表示。所以我们可以说夸克有不同的能量或质量。
那么问题来了:为什么夸克有不同的能量或质量呢?
这就要说到希格斯玻色子了。
希格斯玻色子是另一种基本粒子,它与夸克不同,它不构成任何其他粒子或物质。它只存在于一个特殊的场中,这个场叫做希格斯场。希格斯场是一个无处不在、无形无色、无味无声、无法直接感知或测量的场。但是它却对其他粒子有着重要的影响:它可以赋予其他粒子质量。
这是怎么做到的呢?
我们可以用一个简单的类比来理解。
想象一下,你在一个大厅里,里面有很多人,他们都是希格斯场的一部分。现在,有两个名人要进入这个大厅,他们分别是一个很有名气的电影明星和一个不太出名的科学家。当电影明星进入大厅时,他会吸引很多人的注意力,很多人会围着他,跟他打招呼,要求合影,或者只是想靠近他。这样一来,电影明星就会感觉到很大的阻力,他要花很多力气才能穿过人群。这就相当于电影明星与希格斯场有很强的相互作用,因此获得了很大的质量。
当科学家进入大厅时,他不会引起太多人的注意,只有少数人会跟他打招呼或交谈。这样一来,科学家就会感觉到很小的阻力,他可以比较容易地穿过人群。这就相当于科学家与希格斯场有很弱的相互作用,因此获得了很小的质量。如果有一个普通人进入大厅,他会引起一些人的注意,但也不会太多。这样一来,普通人就会感觉到适中的阻力,他可以比较顺利地穿过人群。这就相当于普通人与希格斯场有适中的相互作用,因此获得了适中的质量。
这个类比并不完美,但是它可以帮助我们理解希格斯场是如何赋予其他粒子质量的。不同类型和组合的粒子与希格斯场有不同强度的相互作用,因此获得了不同大小的质量。如果没有希格斯场,所有的粒子都没有质量,它们都以光速运动,并且无法形成任何稳定的结构或物质。
所以我们可以说,希格斯场是造物主的工具,它创造了物质的多样性和丰富性。
那么,希格斯玻色子又是什么呢?
希格斯玻色子是希格斯场的一个激发态或波动态。就像水波是水场的一个激发态或波动态一样。当水被扰动时,它会产生水波,并且随着时间和距离而衰减。同样地,当希格斯场被扰动时,它会产生希格斯玻色子,并且随着时间和距离而衰减。
那么,什么东西可以扰动希格斯场呢?答案是高能粒子。
当高能粒子在大型强子对撞机(LHC)中相撞时,它们会释放出巨大的能量,并且激发出希格斯场,并产生希格斯玻色子。但是希格斯玻色子并不稳定,它会很快地衰变成其他粒子,并且随着能量和角度而分布。
根据标准模型,希格斯玻色子可以衰变成多种不同类型和组合的粒子。其中最常见的一种是衰变成两个底夸克(b夸克),这种情况大约占60%。其他可能性包括衰变成两个光子、两个W玻色子、两个Z玻色子、两个牛夸克(t夸克)等等。每种衰变方式都有一个特定的概率或分支比,这些分支比都可以从标准模型中计算出来,并且可以通过实验来检验。如果实验观察到的分支比与理论预测不一致,那么就意味着标准模型有缺陷,或者存在一些新的物理现象。
这就是为什么物理学家们对希格斯玻色子的衰变如此感兴趣,因为它们可能揭示了宇宙的一些秘密。
在2012年,物理学家们在大型强子对撞机中发现了希格斯玻色子,这是一个历史性的成就,也为标准模型提供了重要的支持。但是这并不意味着希格斯玻色子的探索就此结束。
除了发现希格斯玻色子本身,物理学家们还想观察它的各种衰变方式,特别是那些很少见或很难探测的衰变方式,因为它们可能给我们带来一些惊喜。在过去的几年里,物理学家们已经观察到了希格斯玻色子衰变成两个光子、两个W玻色子、两个Z玻色子、两个底夸克等等,这些都与标准模型的预测相符。但是还有一些衰变方式没有被观察到,或者只有很弱的证据。其中之一就是希格斯玻色子衰变成一个Z玻色子和一个光子。
这种衰变方式非常罕见,它的分支比只有0.2%左右,也就是说,每500个希格斯玻色子中只有一个会以这种方式衰变。而且这种衰变方式并不直接发生,而是通过一个中间的“环”或“圈”来进行,这个环由一些“虚拟”的粒子组成,它们只是短暂地存在,并且不能被直接探测。这些虚拟粒子可以是任何能够与希格斯场、Z玻色子和光子相互作用的粒子,不同类型和组合的虚拟粒子会对这种衰变方式产生不同的影响,从而改变它的分支比和能量分布。如果存在一些标准模型之外的新粒子或新相互作用,它们也可能出现在这个环中,并且影响这种衰变方式。因此,通过精确地测量这种衰变方式的性质,物理学家们可以探索一些新的物理现象。
最近,在大型强子对撞机中运行的两个实验——ATLAS和CMS——都报告了他们对这种罕见衰变方式的首次证据。
这些结果是非常令人兴奋和重要的,因为它们不仅验证了标准模型对希格斯玻色子的一个关键预测,而且也为寻找新物理提供了一个有力的工具。通过进一步地研究这种衰变方式的细节,比如它与希格斯玻色子质量、自旋、宇称等性质的关系,以及它与其他衰变方式之间的干涉效应等等,物理学家们可以探测一些可能存在的微小的偏差或异常,从而揭示一些标准模型之外的新现象。
总之,希格斯玻色子是一个非常神奇和神秘的粒子,它不仅告诉我们物质是如何获得质量的,而且也可能告诉我们一些我们还不知道的关于宇宙的秘密。
通过观察它的各种衰变方式,并且与标准模型进行比较,物理学家们可以测试和探索一些新的物理现象,或者发现一些意想不到的惊喜。也许有一天,我们会发现希格斯玻色子的某种衰变方式与我们的预期完全不同,这将会是一个革命性的发现,也将会开启一个新的物理学时代。
上帝粒子背后的奥秘还远未结束!