Categories
科技報導

什麼是上帝粒子?



什麼是上帝粒子? 要回答這個問題,您首先需要提到一個術語“粒子物理學”。說到粒子物理學,您怎麼看? 是物理天才謝爾頓,他在美國電視劇《大爆炸理論》中有很高的智商和很低的情商,常常使我周圍的朋友感到傻眼嗎? 還是歐洲核中心的大型強子對撞機LHC? 近年來,粒子物理學界最激動人心的事件是在2012年的大型強子對撞機實驗中發現了希格斯玻色子,稱為“上帝粒子”,“上帝粒子”的兩個支持者也獲得了諾貝爾獎2013年物理學獎。

但是要真正解釋許多粒子和非常抽象的科學問題並不容易,特別是對於那些不是物理學專業的人。 因此,使用類比和模型非常重要。

例如,使用樂高積木。

我們可以想像每個構建塊都由數億個粒子組成。 從大爆炸,到對希格斯玻色子(上帝粒子)的理解,再到對粒子物理學未來發展的想像,這是一次獨特而美妙的發現之旅!

儘管構建基塊的類比無法完美地描述自然,但它使我們能夠以最簡單的方式了解宇宙的全景。

那麼上帝粒子到底是什麼? 它是如何工作的? 讓我們使用樂高積木來了解它們。

1.神粒子

神粒子,也稱為希格斯玻色子。 希格斯玻色子(英語:Higgs boson)是一種通過粒子物理學標準模型預測為零自旋的玻色子。 它沒有電荷,色帶電荷,並且非常不穩定。 生成後它將立即衰減。

希格斯玻色子是一個非常重要的粒子。 科學家們在1965年預測了它的存在,並在2012年正式確認了它的存在,這也是“粒子物理學標準模型”中的最後一個難題。 希格斯玻色子是與希格斯場密切相關的粒子。

希格斯場通過交換希格斯玻色子來減慢基本粒子的速度,就好像它們正在經歷濃稠的糖漿一樣。 這樣可以防止粒子達到最快的速度-光速。 這種減速行為類似於我們對質量的日常理解。 如果我們想加快大質量物體的運動,我們需要施加更大的力量。

希格斯玻色子不是以相同的方式與所有粒子相互作用,而是更獨特地相互作用。 與希格斯玻色子的相互作用越多,粒子的減速度越大,觀察到的粒子的質量也越大。

什麼是上帝粒子? 1

希格斯場的概念圖

1.頂夸克

頂夸克是最重的基本粒子,並且與希格斯玻色子相互作用最多。

什麼是上帝粒子? 2

2.“輕”電子

“輕”電子與希格斯玻色子的相互作用很小,因此比頂夸克更容易加速到高速狀態。

什麼是上帝粒子? 3

3,中微子

中微子的質量非常小,到目前為止尚未確定多少,因此在所有費米子中,它們與希格斯場的相互作用最少。

什麼是上帝粒子? 4

4,希格斯·玻色子

希格斯玻色子之所以具有質量,是因為它可以與自己互動,從而減慢其自身速度,就像一個路人在街上玩手機一樣徘徊。

什麼是上帝粒子? 5

2.找到希格斯

如果說希格斯場(希格斯場,也稱為BEH場,則BEH場以羅伯特·布羅特,弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯命名,希格斯和英格勒在2011年獲得了2013年諾貝爾物理學獎。布羅特在2011年去世了。)我們不是總是看到希格斯玻色子嗎?

像W玻色子和Z玻色子一樣,由於希格斯玻色子如此之大,它們需要大量能量才能產生它們。現在,宇宙的平均能量很低,它們只能以虛擬粒子的形式存在。為了直接檢測希格斯玻色子,我們需要使用正確的能量將希格斯虛擬粒子帶入現實世界。

這是通過大型強子對撞機實現的,主要有四種方法,每種方法都包括殲滅1個粒子和1個反粒子。

什麼是上帝粒子? 6

產生後,壽命短的希格斯玻色子將立即衰減為粒子反粒子對。 就像發現W玻色子和Z玻色子一樣,希格斯玻色子的存在是從已知粒子衰變行為的總能量推斷出來的。

如果測得的能量值超過已知粒子的能量之和,則無法使用已知粒子來解釋此現象。 這非常重要,表明該能量只能由新粒子的衰變產生。

希格斯玻色子與任何質量粒子相互作用。 一般來說,它可以衰變成任何質量的玻色子或費米子-質量越強的粒子,希格斯衰變到它們的可能性就越大。 。

下圖演示了在大型強子對撞機(LHC,世界上最大的強子對撞機)的ATLAS和CMS檢測器中觀察到的希格斯粒子候選情況的衰減模式。

什麼是上帝粒子? 7

什麼是上帝粒子? 8

什麼是上帝粒子? 9

注意:上面圖4中描述的希格斯玻色子也可以衰變成底部夸克和反夸克(H→bb過程)。 在2018年針對LHC的ATLAS實驗中觀察到了此現象。在2017年,在發佈時尚未觀察到。

儘管希格斯於2012年在大型強子對撞機上被發現,但其低信噪比不足以更詳細地研究希格斯玻色子的性質。

中國提出的CEPC可以生產大量乾淨的希格斯粒子實例,以準確測量其性能,確認粒子是否為希格斯玻色子的標準模型,並用其進行電力的深入研究。 基本問題,例如自發性弱對稱性打破的機理和質量的起源,尋找標準模型之外的新物理學的線索。

CEPC的周長約為100公里,約為LHC的周長的4倍。 這將是世界上最大的大型對撞機。 它的建設將大大促進中國高能物理的研究,也將使我國成為世界粒子物理。 研究中心之一。