了解希格斯玻色子,我们确实需要先谈谈希格斯场。 该场赋予某些基本粒子其质量,同时也将其中的两个粒子分开四种基本力量彼此的自然。
该场的存在首次在 20 世纪 60 年代初被理论化,物理学家考虑了一个假设场的后果,该场将解释电磁力和弱力如何分开了,以及为什么有些承载力(或仪表)粒子有质量(如 W 和 Z)而其他的(如光子)则不然。
英国物理学家彼得·希格斯是研究该模型的众多研究人员之一。 从那时起,他的名字就成为了场、场的粒子和作用机制的代名词。
那么希格斯玻色子是什么?
与所有量子场一样,希格斯场产生了自己的一种基本粒子:希格斯玻色子。 它是一种相对较重、不带电、高度不稳定的玻色子(携带力的粒子,自旋为零),在眨眼之前就存在过崩溃分为多种中的任意几种其他颗粒。
在2012年,正是这样一个粒子被大型强子对撞机的两个探测器探测到,正式导致希格斯玻色子被纳入并为希格斯机制提供了有力的证据。
是什么赋予粒子质量?
在日常生活中,我们将质量视为对运动的阻力。 质量大的东西很难移动; 一旦他们开始行动,就很难停下来。
阿尔伯特·爱因斯坦的表述为我们提供了另一种看待质量的方式——它是物体能量的表达。
当静止不动时,物体的质量等于其能量除以光速的平方——这是熟悉的公式 E=mc2 的变形。 让物体移动,尤其是在接近光速的情况下,它会获得能量,并以质量的形式存在。
原子的大部分质量来自被称为夸克的粒子的高能嗡嗡声,这些粒子在原子核内快速移动,并通过强力结合在一起。
然而,即使夸克本身也有质量。 周围的电子也是如此。 由于它们内部没有任何“嗡嗡声”,因此需要某种活动来解释与静止时的质量相等的能量。
更重要的是,在 20 世纪中叶,物理学家发现以前描述规范玻色子的模型与观测结果不符; 像弱力的 W 和 Z 玻色子这样的短程粒子的质量是整个质子的 80 倍,而电磁场中影响深远的光子根本没有质量。
物理学家迫切希望找到这些重量差异的原因,以及为什么这两个领域如此不同。
希格斯场如何赋予基本粒子质量?
在暴风雨过后的瞬间高温下,电磁场和弱核力场实际上是相同的。
随着宇宙的膨胀和冷却,这两个场将变得截然不同——一个场使用重玻色子,在原子核的短距离内起作用,另一个场使用轻玻色子,足以跨越广阔的空间。
对这种分裂以及质量差异的类似解释来自世界各地的几个物理学家团体。 历史承认希格斯及其同事提出的建议弗朗索瓦·恩格勒特罗伯特·布劳特 (Robert Brout) 于 1964 年提出,基于一种新型量子场,这种量子场在任何地方都活跃,甚至在真空中也是如此。
在宇宙的每个角落都有一个非零值的场会破坏量子力学中理论上应该产生的基本平衡一种粒子已经经实验排除。
但希格斯、恩格勒特和布劳特表明,如果这个假设的场与负责弱力的场联系起来,那么没人见过的麻烦粒子就会被吞噬,留下一些重量级的 W 和 Z 玻色子以及相对较重的自旋-更少的、不带电的“希格斯”玻色子(很快就会崩溃)。
把希格斯场想象成一家糖果店,玻色子在吃巧克力时不愿意被催促,只留下一堆短暂的“希格斯包装纸”。
很快人们就发现,同样的过程几乎适用于任何量子领域。 希格斯场解释了一系列其他基本粒子的质量 -比如夸克和电子——当它们花一点时间来对待自己的甜食时,它们都会抵抗被推动。
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