了解希格斯玻色子玻色子,我們確實需要先談談希格斯場。該場賦予某些基本粒子其質量,同時也將其中的兩個粒子分開四種基本力量彼此的自然。
該場的存在首次在 20 世紀 60 年代初被理論化,物理學家考慮了一個假設場的後果,該場將解釋電磁力和弱力如何分開了,以及為什麼有些承載力(或儀表)粒子有質量(如 W 和 Z玻色子)而其他的(如光子)則不然。
英國物理學家彼得希格斯是研究該模型的眾多研究人員之一。從那時起,他的名字就成為了場、場的粒子和作用機制的代名詞。
那麼希格斯玻色子是什麼呢?
與所有量子場一樣,希格斯場產生了自己的一種基本粒子:希格斯玻色子。它是一種相對較重、不帶電、高度不穩定的玻色子(攜帶力的粒子,自旋為零),在眨眼之前就存在過崩潰分為多種中的任幾種其他顆粒。
2012年,正是這樣一個粒子被大型強子對撞機的兩個探測器探測到,正式導致希格斯玻色子被納入標準型號並為希格斯機制提供了有力的證據。
是什麼賦予粒子質量?
在日常生活中,我們將質量視為對運動的阻力。質量大的東西很難移動;一旦他們開始行動,就很難停下來。
阿爾伯特·愛因斯坦的表述狹義相對論為我們提供了另一種看待質量的方式——它是物體能量的表達。
當靜止不動時,物體的質量等於其能量除以光速的平方——這是熟悉的公式 E=mc2 的變形。讓物體移動,尤其是在接近光速的情況下,它會獲得能量,並以質量的形式存在。
原子的大部分質量來自被稱為夸克的粒子的高能量嗡嗡聲,這些粒子在原子核內快速移動,並通過強力結合在一起。
然而,即使夸克本身也有質量。周圍的電子也是如此。由於它們內部沒有任何“嗡嗡聲”,因此需要某種活動來解釋與靜止時的質量相等的能量。
更重要的是,在 20 世紀中葉,物理學家發現先前描述規範玻色子的模型與觀測結果不符;像弱力的 W 和 Z 玻色子這樣的短程粒子的質量是整個質子的 80 倍,而電磁場中影響深遠的光子根本沒有質量。
物理學家迫切希望找到這些重量差異的原因,以及為什麼這兩個領域如此不同。
希格斯場如何賦予基本粒子質量?
在暴風雨過後的瞬間高溫下大霹靂,電磁場和弱核力場其實是相同的。
隨著宇宙的膨脹和冷卻,這兩個場將變得截然不同——一個場使用重玻色子,在原子核的短距離內起作用,另一個場使用輕玻色子,足以跨越廣闊的空間。
對這種分裂以及質量差異的類似解釋來自世界各地的幾個物理學家團體。歷史承認希格斯及其同事提出的建議弗朗索瓦·恩格勒特羅伯特·布勞特 (Robert Brout) 於 1964 年提出,基於一種新型量子場,在任何地方都活躍,甚至在真空中也是如此。
在宇宙的每個角落都有一個非零值的場會破壞量子力學中理論上應該產生的基本平衡一種粒子已經經實驗排除。
但希格斯、恩格勒特和布勞特表明,如果這個假設的場與負責弱力的場聯繫起來,那麼沒人見過的麻煩粒子就會被吞噬,留下一些重量級的W 和Z玻色子以及相對較重的自旋-更少的、不帶電的“希格斯”玻色子(很快就會崩潰)。
把希格斯場想像成糖果店,玻色子在吃巧克力時不願意被催促,只留下一堆短暫的「希格斯包裝紙」。
很快地人們就發現,同樣的過程幾乎適用於任何量子領域。希格斯場解釋了一系列其他基本粒子的質量 -比如夸克和電子-當它們花一點時間來對待自己的甜食時,它們都會抵抗被推動。
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