| 希格斯玻色子 终于逮到你了 寻找物理学上最难捉摸的猎物 Jul 7th 2012 | from the print edition  “我们发现它了！”欧洲核子研究中心（CERN）总干事Rolf Heuer自信满满地说到。当他总结自己团队对希格斯玻色子的研究成果时，一改往日科学家们避免对通告做正面答复的习惯，这次他一点犹豫也没有。7月4日，研究成果分别由Joe Incandela 和 Fabiola Gianotti作了介绍，他们分别是紧凑型μ子螺旋型磁谱仪（Compact Muon Solenoid，CMS）和超环面仪器（A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS）的负责人，这两个实验装置用来寻找隐蔽粒子，为大型强子对撞机 (LHC) 的配套设施，LHC的主段位于日内瓦附近的欧洲高能物理实验室（由CERN运营）。对于粒子存在形式和数量的正当性，这两套装置都找到了关键性证据证明它们就是希格斯粒子。如果它们不是希格斯粒子的话，这将是物理学上近一个世纪以来最大的颠覆行为。 这个项目已经花了近50年，数十亿美元和上百万人的精力，终于，英国物理学家Peter Higgs(如上图)和其他四位“不那么出名”的科学家——François Englert, Gerald Guralnik, Tom Kibble 和 Carl Hagen——可以打开香槟庆祝了。 1964年，这几位物理学家在致力于完善量子理论时，从希格斯机制中提出了著名的希格斯玻色子的存在（当然也有人并不认同），而另外一名发起人Robert Brout已于去年去世了。 这个发现为标准模型画上了一个完美的句号，也是迄今为止宇宙运行的最好解释——除了广义相对论提出的引力问题。该模型包含了17种粒子，其中12种是费米子，比如夸克（组成原子核中的中子和质子）和电子（围绕原子核高速旋转），它们构成了世间万物。再深入就是4种规范玻色子了，它们可以传力以至于费米子之间能相互影响：光子传递电磁力（这也是电子能围绕原子核旋转的原因）；胶子通过强核力把质子中的夸克连在一起，再把质子与中子束缚在一起；W和Z玻色子传递弱核力，这也是原子以特定方式进行放射性衰变的原因。然后就是希格斯粒子了。 对于希格斯粒子来说，尽管这种玻色子不是规范玻色子（称它为玻色子是因为它有部分重要的量子力学特殊属性，比如自旋），科学家也不需要它来传力，但需要它让其它粒子带有质量。在其它16中粒子中，有两种粒子（光子和胶子）是没有质量的，但没有希格斯粒子或其它类似粒子的存在，就无法解释其它粒子的质量从何而来。 对费米子来说，质量问题没什么大不了的，标准模型理论也并没有对其质量问题做更多解释，但对玻色子来说，同样的小把戏就行不通了，要是希格斯粒子不存在的话，标准模型理论就需要玻色子没有质量，而W和Z玻色子不可能，并且它们还非常“沉重”，几乎是质子的100倍，这就使希格斯粒子成为了标准模型的基础，它充斥其中并构造了整个框架，除去它整个理论也将颠覆——所以在以前物理学家变得急躁也并不奇怪。 48年的渴望 花费近半个世纪去寻找希格斯粒子的原因有很多。首先，理论上认为该粒子的自有质量（通过自身相互作用产生）非常巨大，根据爱因斯坦所言，能量和质量是等价的，所以一个较重的粒子必须由很大的能量去产生，这意味着我们需要一种个大、更强、更昂贵的仪器来完成这个过程，比如大型强子对撞机（LHC），里面相向而行的质子会在周长为27公里（17英里）的管道内进行碰撞。 真实情形更加复杂，标准模型并没有给出希格斯粒子的确切重量，所以物理学家们不得不纵观整个可能的质量区间，这意味着他们必须在数以万亿次的碰撞中进行筛选。  科学家并不是直接去寻找希格斯粒子本身，由于希格斯玻色子非常不稳定，所以它们很难被直接观测到。ATLAS探测器和 CMS探测器位于LHC管道圈的对边，理论上希格斯粒子会分解为可以被检测到的粒子形态，ATLAS和 CMS这两个探测器就用来探测这些粒子。不幸的是，这种分解模式并非希格斯粒子所特有，其它亚原子过程也会产生类似的痕迹。 因此这两台探测器不能直接分辨出希格斯粒子的信号，所以他们要在大量可能的信号中进行寻找，只要有百分之零点几的不确定性都将会判定希格斯粒子不存在。最终这两套仪器都发现该粒子质量在125GeV（十亿电子伏特）左右，GeV这个奇怪的单位用来衡量亚原子粒子的重量级，测试的随机误差达到了三百万分之一，这个结果已没有怀疑的空间——一种新粒子被发现了。 下一步就是确定该粒子是不是理论所设想的那一种希格斯粒子。希格斯粒子应该有多少重？尽管标准模型对它质量问题所言不多，但它的质量与其衰变方式息息相关，我们可以通过测量不同的衰变方式，再和预测值进行比较，这样就可以判定新发现的粒子是不是1964年提出的那种希格斯粒子，或者是另外一种新粒子。 此时，数据变得有些可疑起来。一些被观测到的衰变，特别是希格斯粒子衰变为两个光子的出现频率比标准模型所给出的要高，尽管这仍然可能是统计上的误差。 对于一些物理学家来说，出现一种新的希格斯粒子也是一个好消息，尽管标准模型能很好地解释问题，但在物理学上不一定是最终定论。单单一个希格斯粒子就能撑起这个伟大的理论，但却对谁能取代它的问题没有给出多少线索。 不朽的园丁 其中一个问题就是，按现在的情况该模型需要精确到20位小数常数，而他们达到了惊人的32位小数位，插入不同值后其预测结果根本毫无意义，就像事件发生的可能性超过了100%。 现实本来就是如此不堪，物理学家们不得不尝试根据要求进行微调，因为业内常说，一点精度上的误差都将代表你会失去你所需的重要东西。 一个方法就是跳出标准模型，去质疑希格斯粒子是否可以坐上“基本粒子”的位置。根据人工色模型，如果是一种粒子构成了所有的新夸克种类，再通过新的作用力（与强作用力类似，但又不同）把它们结合在一起，微调的必要性就不存在了。 另外一个方法是希格斯粒子可以保留基本粒子的地位，但还要增加一些同类粒子。这是“超对称理论”（简称susy）的结论，因为在标准模型中，大家都知道构成物质的粒子都有一个对应的反粒子，在超对称理论中，玻色子（包括希格斯粒子）都有一个或多个费米子伙伴，并且大家也知道费米子有一个或多个相关玻色子。 关键是以上两种理论都不能让标准模型解释为什么宇宙充满的是正物质而不是反物质，或者说为什么不同基本力的强度差别如此之大。但由超对称理论和人工色模型数学理论回答这些问题就显得自然而然，所以我们是否可以得出由其他候选粒子构成了暗物质（暗物质的存在可以从它产生引力推断出来，但引力并不与三种标准模型力相互作用），其中最轻的暗物质粒子或许会在LHC中产生。 问题是要想完美地描述现实，很明显，这些理论和其他提案都缺少相关证据。十年前物理学家自信满满地预测，超对称粒子和“人工色夸克”会很快在正负质子对撞机（比LHC稍弱的美国加速器，已于去年关闭）中被发现，直到LHC建成运行之前，仍然还有人这么认为，但最终希望坠落于现实。让那些人气恼的是，一次又一次的实验结果都完好地符合标准模型，对于模型之外的世界已没有多少想象的空间，这或许是他们最后一次机会去推翻希格斯粒子。 对于历史上最成功的科学理论来说，希格斯玻色子的发现可以说是那些最伟大的成就之一，但这也意味着另一些理论走向终结，但他们被更好的理论代替了，在科学上，只有对真理的追求才是永恒的，这的确是值得庆祝的时刻。 from the print edition | Science and technology |
人类认识的又一大进步Hermia 发表于 2012-7-10 09:43
第二段：
It has taken five decades, billions of dollars and millions of man-hours.
这个项目已经花了 ...
reader1 发表于 2012-7-10 13:29
原译文可以。但不是百万人。
用了50来年，花费数十亿美元和几百万个工时。
Hermia 发表于 2012-7-10 13:43
你说的对，“数”在这里是“几”的意思，不过几百万小时的人工跟几百万工时是一样的意思。
A man-hour is ...
悠悠万事97 发表于 2012-7-11 05:20
读了一半，实在没时间了，抱歉。
The hunt for physics’s most elusive quarry is over
reader1 发表于 2012-7-10 10:55
particle’s own mass (which it gets by interacting with itself) should be huge.
which it gets by in ...
particle’s own mass (which it gets by interacting with itself) should be huge.
which it gets by interacting with itself)
什么意思？
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