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微观世界的天主粒子是怎样一回事它和天主有没有联系

2020-01-20 06:33:20 来源: 责任编辑:责任编辑NO。蔡彩根0465

“天主粒子”与天主无关

希格斯玻色子常被媒体称为“天主粒子”。当欧洲核子研讨中心在2012年7月4日宣告发现具有希格斯玻色子若干特征的新粒子后,提出相关理论的英国爱丁堡大学退休教授彼得·希格斯成了重视焦点。在爱丁堡大学于7月6日请希格斯教授到会的新闻发布会上,他在答复相关问题时作了如下的解说。

“‘天主粒子’这个姓名与我没有联系,它来自一个打趣。”希格斯说,多年前有人在编撰关于希格斯玻色子的文章时,因为觉得这种粒子真实太难找到,便开打趣地将其称为“天主咒骂的粒子”。但后来某位修改觉得这个姓名不太好,就将其改成了“天主粒子”。所以,“天主粒子”是对一种新的亚原子粒子——希格斯粒子的诙谐称号。

希格斯说,科学家们在进行严厉评论时都不必“天主粒子”这个称号,但它的确十分招引一般大众的眼球。

寻觅希格斯粒子十分不容易,需求有巨大的能量,而发生超高能量需求国际上最强壮的粒子加快器将粒子加快后对撞。希格斯粒子寿数十分时刻短,只需亿亿分之一秒,即便在试验中发生了希格斯粒子,它也会当即衰变成其他粒子。科学家们只能从衰变发生的粒子中寻觅希格斯粒子的蛛丝马迹。

欧洲核子研讨中心(CERN)早鸟曾宣告,CERN的Atlas(超环面仪器)试验和CMS(紧凑缪子线圈)试验都观测到新粒子,该粒子与科学界寻求已久的被称为“天主粒子”的希格斯玻色子疑似。

“CERN发布的仅仅一个开端成果,现在还不能终究承认观测到的新粒子便是希格斯玻色子。”中科院高能所两位科学家标明,虽然科学家们心中都以为新粒子很或许是“天主粒子”,但是为了科学的严谨性,至少需求一年以上时刻才干承认成果。

根本粒子不根本

自从文明的曙光来临大地,人类便孜孜不倦地根究国际内涵的规则。 面临千变万化的自然现象,人类自古以来就妄图用少量几种“元素”来概括它们。到了19世纪晚期,科学家们以为一切物质都是由不可分割的原子组成的。但是人们发现了“放射性”现象。

“放射性”这个术语是居里夫人提出来的,用来描绘铀的辐射才能。

放射性元素能够自发地从不安稳的原子核内部放出粒子或射线(α射线、β射线、γ射线等)。α射线是高速的氦原子核,β射线是高速电子流,γ射线是光子。

在β衰变中,放射性元素的原子核内的一个中子衰变成一个质子、一个电子以及一个反中微子。

假如不假定有反中微子的存在,在β衰变中,能量将不守恒,这在物理学中是不能承受的,所以在1931年,奥地利科学家泡利提出了中微子假定。他假定在放射性元素β衰变中,产品粒子不单单是电子,还有一个中性的细小粒子,即中微子,中微子的质量假定是零。

到了上世纪30年代初期,物理学家感到很满意,因为他们找到了构成原子的根本粒子。它们是那样的简略,一共是4种粒子,即质子、中子、电子以及假定中的中微子。当然还有光子,光子是电磁波的根本粒子。

但是,物理学家并不满意,他们着手进一步研讨质子和中子的内部结构。在1935年,日本科学家汤川秀树假定原子核内有π介子的存在,这个预言在1947年被试验证明。

所谓介子,是指质量在质子和电子之间的粒子。因为国际射线的观测以及加快器技能的开展,科学家们发现了许多介子,它们有π±,π0,ρ,k±,k0 等等。这些粒子都是短寿数的,存在时刻不超越1微秒。此外,科学家们还发现了质量比质子大的许多重子:Σ±,Σ0,Ξ±,Ξ0,Λ等等。每种粒子都有反粒子,这样一来,根本粒子的总数达数十种。状况好像回到了门捷列夫发现元素周期律前的状况。

根本粒子的质量用兆电子伏特(MeV)标明, 1000兆电子伏特 = 1京电子伏特(GeV)。电子质量是0.51 MeV;质子质量是938 MeV,挨近于1 GeV。

其实,后来发现的所谓“根本粒子”,寿数不超越1纳秒,连一会儿都说不上,所以称为共振态粒子。上世纪50 年代初,一些大型加快器连续建成,使人们有或许使用加快器所加快的粒子来炮击原子核。自1951年美国物理学家费米初次发现共振态粒子以来,到1964年人们发现的粒子品种达到了33种。至上世纪80年代,已发现的共振态粒子达300多种。物理学家们头晕了。

规范模型是怎样一回事

除了根本粒子的研讨,物理学家把自然界的彼此效果力概括为四种力,它们是万有引力、电磁力、强彼此效果力和弱彼此效果力。当人们的研讨逐步进入原子核内部后,理论物理学家们开端尝试着树立一种共同的理论来解说后边这三种力,这便是粒子物理的“规范模型”。

规范模型把根本粒子分类为费米子和玻色子两类粒子——费米子是组成物质的粒子,玻色子则是传递各种效果力的粒子。费米子被物理学家比喻为制作国际万物的砖块,玻色子则被比喻为水泥。质子和中子归于费米子,π介子是玻色子。光子能够传递电磁力,被归为玻色子。

“根本粒子”如此之多,莫非它们真的都是最根本、不可分的吗?近40年来许多试验现实标明中子和介子等是有内部结构的。所以在1964年,美国物理学家盖尔曼提出了夸克模型,他以为介子由夸克和反夸克所组成,重子由三个夸克组成。他因而获1969年物理奖。

在夸克理论提出后,人们认识到根本粒子自身也有杂乱的结构,故现在的“根本粒子”的提法与1964年曾经不同。物理学家依据效果力的不同,把费米子分为强子和轻子,加上玻色子,共三大类。

强子便是一切参加强力效果的粒子的总称,它们由夸克组成。已发现的夸克有6种,它们是:顶夸克、上夸克、下夸克、奇特夸克、粲夸克和底夸克。其间理论预言的顶夸克,在2007年由美国费米试验室发现。现有粒子的绝大部分归于强子,例如质子、中子、π介子等等。

轻子便是只参加弱力、电磁力和引力效果,而不参加强彼此效果的粒子的总称。轻子共有6种,包含电子、电子中微子、μ子;μ中微子、τ子、τ中微子。电子、μ子和τ子是带电的,中微子都不带电;τ子是在1975年发现的,又名重轻子。

玻色子也归于根本粒子。传递弱核力的有W玻色子及Z玻色子,传递强核力的有8种胶子,它们统称为“规范玻色子”。

因为“根本粒子”不根本,所以物理学家有时把那些后来发现的粒子称为亚原子粒子。

“规范模型”是现代物理学家的“创作”。我现在把它称为粒子物理学的“三角大楼”,它是分配制作国际万物的“司令部”。现在,三个大楼中的有些人员现已到位并开端作业,但是中央控制室的“首长”却迟迟没再次呈现,作为“三角大楼”设计师的现代物理学家怎样会不着急呢?

在“规范模型”中,理论物理学家们假定传递弱核力的物理场是“规范场”,类似于光子,理论上“弱力规范场”的质量为零。假如这样,怎样阐明质子、电子有停止质量呢?也便是说,理论物理学家们看好的“规范场论”一开端就遇到了严峻的困难。这时,希格斯等人想出了一个弥补的办法,他们在1964年提出,在弱力规范场的数学方程式中人为地加上一个函数项。这个函数项被解说为来源于“真空”,它被称为希格斯机制,后来又被称为“希格斯场”,也称为希格斯玻色子。总归,有了希格斯先生假定的函数项,理论物理学家们能够调理数学方程式中的几个参数,预言了W玻色子及Z玻色子,后来它们在高能加快器试验中被发现。正因为这样,希格斯玻色子被称为物质的质量之源。

令人着急的是,分配制作国际万物粒子物理学的“三角大楼”的“司令部”的“首长”——希格斯玻色子却迟迟没再次呈现。假如找不到这种粒子,“规范模型”的“三角大楼”将成为一项“烂尾工程”。

探究“天主粒子”的价值和远景

本年7月4日,欧洲核子研讨中心(CERN)总算宣告在能量为125GeV邻近找到了一种新亚原子粒子,这种粒子有或许便是“天主粒子”——希格斯玻色子。为了这个成果,欧洲核子研讨中心不吝耗费了10年时刻,耗资133亿美元,制作了大型强子对撞机(LHC)。

大型强子对撞机的效果,是让高能质子两两对撞,捕获所发生的“碎片”,科学家需求从这些“碎片”中寻觅“天主粒子”。用磕碰的办法将微观粒子打碎,能够比喻为将两个西瓜用力撞碎,这样咱们就能看到里边有些什么。只不过微观粒子内部极为杂乱,碰击之后所发生的“碎片”,也是林林总总,再进一步研讨磕碰后究竟能发生什么新粒子。

这次发现新亚原子粒子的欧洲大型强子对撞机,被深埋在100米的地下,周长有27公里,探测器有三四层高楼那么高,可彻底称得上是个“巨无霸”。只需高能质子相撞时的速度足够大,在这些碎片中就有或许发现一些曾经从未呈现过的微观粒子。

在前三年上亿次数据收集、剖析的基础上,欧洲核子中心的科学家们在2011年逐步发现了一些新粒子存在的痕迹。到2012年数据中新信号的统计显著性比较让人服气,新粒子是的确存在的。2012年6月下旬,欧洲核子中心内部决定在7月4日发布这个严重发现。他们从对撞机上取下终究一批数据,剖分出成果,再在3000多人的协作组内经过评定,留给科学家的时刻实际上只需两周。欧洲核子中心大型强子对撞机上的CMS和ATLAS试验都陈述称发现了新粒子,虽然大型强子对撞机所发现的这个新粒子的一些特性与寻觅了几十年的希格斯玻色子挨近共同,但所发现的事例数还太少,并不能扫除是其他粒子的或许。要终究证明这个新粒子是不是“天主粒子”,还需求验证它的许多物理性质。这或许要花很长的时刻,乃至需求再制作一个正负电子对撞机来对这一粒子的性质做出判别。

大型强子对撞机的试验,无疑是人类在探究微观国际进程中的豪举。“天主粒子”有待进一步的验证,它不是探究结尾。

物理学家们怀着宗教般的忠诚,一向致力于了解物质的实质,妄图完结对一切物理现象的共同理论,然后取得整个国际的终极常识。在树立终极理论的过程中,干流物理学家现在最关怀的是希格斯粒子的发现,它好像具有能左右21世纪物理学开展趋势的首要的要素。为了完结大共同理论,希格斯粒子成为共同“电磁力”与“弱力”的要害。物理学家还在尽力寻觅这两者加上“强力”三者之间的联系。能共同阐明此三者之间联系的理论便是大名鼎鼎的“大共同理论”(GUT, grand unified theory),假如再进一步,应该还有包含“重力”在内的理论。

人们或许要问,假如发现的新粒子终究证明不是希格斯玻色子,怎样办?其实,理论物理学家是如此地有决心,很大程度上是仗着“no lose theorem”(永久不败定理),这个词汇是由几位诙谐的物理学家戏弄出来的。在他们的“规范模型”中有几个参数能够调理,即便 “规范模型”有问题,还有非规范的模型,比方超弦理论、超对称理论和超引力理论。它们预言了好几个替补的xxx粒子,所以能永久不败。

科学史标明,一个物理理论是否代表真理,需求几十年乃至上百年的试验查验。

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