@ 2012.07.07 , 00:10

希格斯玻色子的发现究竟意味着什么

前几天,欧洲核子研究委员会(CERN)的大型强子对撞机下的两个独立实验——ATLAS 和 CMS 的科学家们宣布发现了与希格斯波色子性质一致的亚原子微粒。那么,物理学家们真的发现了未知的隐藏微粒么?简短的回答:是的;具体来说:嗯…

如果你说2012年7月4日是希格斯玻色子证实发现的日子,并不完全错误。因为CERN主负责人 Rolf Heuer 上校说:“作为一个外行人,我相信我们已经做到了。”这是你能从 CERN 获得的最明确的说法。这是完全可以理解的,因为在宣布疑似物理学重大发现成果时,必须保持一定的保守性。然而某些评价或许没能引起如此大的关注,例如Heuer说道:“但是作为一名科学家,我必须这么问:‘我们究竟得到了什么?’”但这确实是个重大问题,也许今天、甚至今年,我们都还无法回答。今天宣布的成果仅仅是希格斯系列的开始,而远非结局。

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那么,我们发现的究竟是什么?
Rolf Heuer 提供了一个最好的概括说法:“我们发现了一种新粒子,它和希格斯玻色子所描述的性质一致。”当然,在恰当的质量范围和微粒种类上,这两组独立实验已经试验性地确认发现了新亚原子微粒。这本质上是个极其轰动的大事件,因为这是1995年发现顶夸克以来首次发现基本粒子。但我们现在还不能确切地说CERN发现的新粒子就是希格斯玻色子,更不用说是否就是标准模型所预言的希格斯玻色子了。

那么,以下是我们所知的。CMS实验发现了一个125.3±0.6 GeV 的粒子,意味着它的质量是质子的133倍。与CMS实验相互独立的 ATLAS 实验,发现了一个126.5±0.6 GeV 粒子。不管用何种数据分析方法,两个实验的置信区间都在5个标准差附近徘徊。这意味着有99.9999%的可信度认为他们观测到的信号确实属于某种新的粒子,而不是由于随机数据误差。置信区间5是宣布发现新粒子的临界值,而实验数据确实在5以内,更精确地说,是4.9个标准差。这意味着我们可以非常自信地说,已经确定发现了一个新的粒子。

但新发现的粒子是否就是希格斯玻色子呢?
老实说:我们还不能确定。我们只知道讨论的这个粒子确实是个玻色子,是基本粒子两大基本分类之一,与质量携带有关。之所以这么说,是因为新发现的粒子会发生diphotonic衰变,即裂解为两个光子,而这正是玻色子才具有的性质。当然,125-126也是我们估计的希格斯玻色子质量范围,正因为如此,ATLAS和CMS才首先查找这个。正如CMS发言人Joe Incandela今天指出的,这个粒子是目前发现的最重的玻色子。

但希格斯粒子应该具有一系列的已被证实的独一无二的特性,其中最重要的是自旋值为0,这一点不同于其他任何已知粒子。目前我们还不知道新粒子的自旋值,如果是0,那么确定它是希格斯粒子前还有很长一段路要走;如果是其他值,则可能是其他假设性粒子。虽然目前是希格斯粒子的可能性极大,但还不能想当然的认为其确实是。

如果确实是希格斯粒子,那么这是否就完善了标准模型?
其实并不准确,这仅能说明它是一种希格斯粒子,并不一定就是能补充标准模型空白的那种希格斯粒子(如同Dave Goldberg博士昨天解释的,“补充”是一个很强烈的词)。这并不是可能的希格斯粒子中的唯一一种,这取决于新粒子的性质,也许会指向更独特的物理性质,甚至超过了标准模型所预言的。这真是令人振奋的可能性,因为这意味着希格斯粒子能为超对称理论打开一扇大门,或是增进我们对神秘的暗物质的了解,甚至对于占宇宙组成96%的暗能量也能了解更多。

根据粒子在大型强子对撞机中的衰变路径,或者是玻色子的衰变方式,可以弄清楚究竟这种粒子是否符合我们目前所知的标准模型。正如ATLAS研究队伍的成员Pippa Wells博士对《BBC新闻》所说,已观测到的衰变路径中有几个显示出与我们所期望的截然相反。这些可能是统计学特例,随着数据的增加将会被消除,但也可能指向某些重要信息。

那么,我们得到的究竟是什么?目前几乎可以确定,我们发现了一种新的基本粒子,是最近二十年来首次发现类似的粒子。所有今天公布的数据都只是原始数据,对CMS和ATLAS数据的首次正式分析将会在本月末展开。

而大型强子对撞机将会一直工作到今年年末,这意味着还将有数个月的数据可以收集。这些都将帮助我们确认,今天公布的是否就是真正的某种希格斯玻色子,还是就是标准模型所预言的那种希格斯玻色子。这将毫无疑问是物理学认知的巨大突破,但也将无可避免的在未来的新发现下显得无比渺小。本文译自 io9,由译者 老人爱怡 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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