LHC化为乌有,地历史学家成功观测到希Gus玻色子

2019-11-04 08:37栏目:奥门新萄京娱乐场
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(劈柴/翻译)欧洲大型强子对撞机(LHC)的物理学家们以前所未有的高能探索了自然的性质,他们有了一些非常深刻的发现:没有新东西。

原标题:捕捉“上帝”的秘密,科学家成功观测到希格斯玻色子的最常见衰变

这或许是30年前该项目设计之初,唯一一件没人预料到的事情。

欧洲核子研究中心(CERN)28日宣布,在发现“上帝粒子”——希格斯玻色子6年后,研究人员终于观测到它衰变为一对底夸克。这一“常见衰变”的捕获被研究人员看作是探索希格斯玻色子的里程碑。

去年12月出现在数据曲线中的那个著名的“双光子峰”已经消失,说明这是一次短暂的统计涨落,而非一个革命性的新基本粒子。实际上,除了长期主导但并不完整的粒子物理“标准模型”中已有的成员,这台机器的对撞至今没有召唤出任何全新粒子。在对撞残骸中,物理学家没有找到能够组成暗物质的粒子,没有希格斯玻色子的兄弟姐妹,没有额外维度存在的迹象,没有轻子夸克——最重要的是,也没有人们苦苦寻找的超对称粒子,这种粒子能够补全公式并满足“自然性”,后者是自然定律应当遵循的一条深层原则。

希格斯玻色子的产生的条件非常苛刻,需要在大型强子对撞机进行约10亿次碰撞,才能观测,而且它的寿命极为短暂,假设希子质量为126 GeV,则标准模型预测平均寿命大约为1.6×10−22 秒。由于不可能直接看到希格斯玻色子,科学家们使用这些次级粒子衰变产物来研究它的特性。自从2012年发现希格斯玻色子以来,在其衰变物中,科学家们按照现有理论只能识别出约30%。美国能源部布鲁克海文国家实验室ATLAS物理学家卡瓦莉尔(Viviana Cavaliere)表示,过去几年,由于希格斯玻色子的衰变速度非常快,抓住它一直是人们的首要任务。

“令人吃惊的是我们考虑了这些事情30年,却没有做出一项正确的预测让人能看到,”普林斯顿高等研究院物理学教授尼马·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说。

根据粒子物理学标准模型预测,约60%的希格斯玻色子都会衰变成一对底夸克,也就是6种夸克中第二重的夸克(第一为顶夸克)。新的观测结果支持了标准模型对这一“常见衰变”的预测。研究人员说,如果观测结果与标准模型的预测不符,则会动摇标准模型的基础并指出新的物理学方向(还有其他粒子有待发现?)。

本月的芝加哥国际高能物理会议上,超环面仪器(ATLAS)和紧凑μ子线圈(CMS)两大实验所做的报告成为了新闻。两项实验的探测器像大教堂一般分别坐落于LHC长达27千米的轨道环的6点和12点方位。这台对撞机在升级到原有能量的两倍并终于全速运行后产生了大量数据,两个团队各自超过3000名成员在过去三个月来一直疯狂地对其进行分析。目前,LHC的光子撞击能量是13万亿电子伏(TeV)——超过单个质子质量的13000倍——提供了足够的原材料产生大量基本粒子,如果它们存在的话。

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图片 2(上)消失的峰:大型强子对撞机将光子以高能撞击,碎片被CMS和ATLAS两个主要探测器捕捉。2015年12月,两台探测器都在13-TeV撞击中检测到少量多于标准模型的光子对数量,总能量为750GeV。物理学家希望这个“双光子峰”的诞生是由于生成的一种新基本粒子接下来衰变成了两个光子。

图1 希格斯玻色子衰变为两个底夸克(蓝圈),伴有一个W玻色子衰变为一个μ子(红线)和一个中微子(白线)的ATLAS候选事件

(下)2016年,从LHC收集的数据是之前的4倍多,而双光子峰却不见了。这说明去年所见的异常只是一次统计涨落。(注意,由于加速器和探测器条件的改变,在2016年基于标准模型的预测发生了微小变化。)

来源:ATLAS/CERN

图片来源:Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

40多年前,科学家们建立起一套名叫“标准模型”的粒子物理学理论,但这一理论一直缺少最后一块拼图,即希格斯玻色子。这一难以寻觅又极为重要的“上帝粒子”被认为是解释其他粒子如何获取质量的关键。2012年7月,欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)研究人员宣布发现希格斯玻色子,这是LHC最为显赫的成绩。

目前为止,什么也没有出现。尤其让许多人伤心的是双光子峰的丢失,这是在去年那批捉弄人的13-TeV数据中突然出现的一对额外光子,理论学家们写了大约500篇论文来推测它们的来源。双光子峰在今年的数据中消失的传言在六月开始流出,引发了全领域范围的“双光子宿醉”。

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“它本可以单枪匹马地为粒子实验指向一个非常让人兴奋的未来,”马里兰大学理论物理学家拉曼·桑德拉姆(Raman Sundrum)说。“它的缺失将我们拉回到出发点。”

图2 希格斯玻色子衰变为两个底夸克(蓝),伴有一个Z玻色子衰变为一对正负电子(红)的CMS候选事件。

新物理的缺失加深了自2012年就产生的危机,当时LHC第一次运行,证实了8-TeV撞击将不会产生任何超越标准模型的新物理。(那一年发现的希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图,而非它的扩展。)仍旧可能有一个救星粒子在今年晚些时候或明年出现,或许,当数据经过长时间的积累,会在已知粒子身上发现细微的惊喜,间接提供新物理的线索。但理论学家们已经逐渐开始准备接受“噩梦场景”了,那就是LHC根本无法把我们引向一个更加完整的自然理论。

来源:CMS/CERN

一些理论学家提出,整个领域是时候开始思考零结果的含义了。新粒子的缺失几乎肯定意味着物理定律不像物理学家长久认为的那样自然。“自然性是如此动机充足,”桑德拉姆说,“以至于其实际上的缺失就是一项重大发现。”

研究人员介绍,希格斯玻色子有多个衰变道,此次观测到其常见的衰变道(衰变为底夸克)绝非易事,主要困难在于质子和质子的碰撞中存在许多产生底夸克的途径,因此很难将希格斯玻色子衰变信号与噪声干扰隔离开。相比而言,当年发现希格斯玻色子时观察到它不太常见的衰变道(衰变为一对光子)则更容易从背景中提取。

物理学家确信标准模型之外还有其他理论的主要原因在于,作为关键环节的希格斯玻色子有一个看上去极其不自然的质量。在标准模型方程中,希格斯子与许多其他粒子耦合在一起。这种耦合赋予其他粒子以质量,并使他们得以反过来左右希格斯子的质量,就像拔河比赛中的双方对手。有些对手特别强大——与重力有关的假想粒子可能为希格斯子贡献(或减少)一亿亿TeV——然而它的质量最终只有0.125TeV,就好像双方对手在拔河比赛中得到近乎完美的平局。这看起来很荒诞——除非能合理解释为什么参赛两队水平如此接近。

为提取信号,大型强子对撞机两个实验项目组ATLAS(超环面仪器)和CMS(紧凑μ子线圈)各自组合了大型强子对撞机的两次运行数据进行分析。结果检测到希格斯玻色子衰变为一对底夸克。此外,两个项目组还在当前的测量精度范围内测量到与标准模型预测相一致的衰减速率。

图片 4加州理工大学的玛利亚·斯皮罗普卢,摄于LHC的CMS控制室,在否认噩梦说时说,“实验学家没有宗教。”

标准模型中的基本粒子

上世纪80年代早期,理论物理学家意识到超对称理论能够做出这种解释。该理论提出,对于每一种自然界中存在的“费米子”——一种使希格斯子增加质量的物质粒子,如电子或夸克——都存在一个超对称的“玻色子”,或载力粒子,从希格斯子身上减掉质量。这样,每个拔河参与者都有一个势均力敌的对手,希格斯子也自然地稳定了。理论学家们设计了好几种能满足自然性的替代方案,但是超对称还有更多的论据支撑自己:在这个方案下,三种量子力的强度在高能状态恰好吻合,暗示它们在宇宙之初是统一的。它还提供了一种惰性、稳定的粒子,恰好具有成为暗物质的适当质量。

到目前为止,标准模型是物理学对于物质世界最深刻和最客观的认识,是描述物质基本组成和运行最成功的理论。标准模型认为,物理真空并不是一无所有,真空中充满场,场的激发态是粒子。粒子分为组成子和媒介子,组成子即构成现有物质世界的“基本”粒子,媒介子是传递相互作用的粒子。

“那时候我们真觉得已经搞明白了一切,” 加州理工大学粒子物理学家兼CMS成员玛丽亚· 斯皮罗普卢(Maria Spiropulu)说,“如果你问我这一辈的人,我们几乎被教育成超对称就是存在的,哪怕还没有发现。我们是真信过啊。”

组成子(物质子)的自旋为半奇数,是费米子,分为夸克和轻子。夸克有三代,分别为:(u,d),(c,s),(t,b)[英文名称为:(up quark, down quark),(charm quark, strange quark),(top quark or truth quark,bottom quark or beauty quark);中文名称为:(上夸克,下夸克),(粲夸克,奇异夸克),(顶夸克又叫真理夸克,底夸克又叫美丽夸克)];轻子也有三代,分别为,(e,ve),(μ,vμ),(τ,vτ)[英文名称为:(electron, electron neutrino),(muon, muon neutrino),(tau,tau neutrino);中文名称为(电子,电子中微子),(μ子,μ子中微子),(τ子, τ子中微子)],不同代的中微子之间可以互相转变的,即所谓的中微子振荡,这种现象要求中微子具有质量,超出了标准模型。媒介子(传播子)的自旋为整数,是玻色子,分为:中间玻色子,W±和Z0,传递弱相互作用;光子,传递电磁相互作用;胶子,传递强相互作用;希格斯子,使得物质拥有质量。传递引力相互作用的引力子至今还没有发现。

因此,当已知粒子的超对称粒子未能出现时——首先是90年代的大型正负电子对撞机(Large Electron-Positron Collider),然后是90年代和2000年早期的兆电子伏特加速器(Tevatron),还有现在的LHC——人们感到非常意外。随着对撞机在更高能量搜索,已知粒子和它们的假想超对称粒子之间的差距也越来越大,因为后者必须质量更大才能躲避探测。最终,超对称理论变得“残破不堪”,粒子和其超对称粒子作用在希格斯子上的质量无法再抵消,超对称理论也无法解决自然性问题。一些专家认为,我们已经过了这个理论的“破产”点。另一些允许特定参数设置得更灵活的专家,也说破产正在发生,因为ATLAS和CMS排除了质量小于1TeV的标量顶夸克——质量为0.137TeV的顶夸克的超对称粒子。这已经在顶夸克和标量顶夸克的希格斯拔河中造成6倍的不平衡。即使大于1TeV的标量顶夸克存在,它对希格斯子的作用也过于强了,不能解决它理应解决的问题。

另外,玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计,不遵守泡利不相容原理(电子简并压是由泡利不相容原理产生的,在天体演化中,它导致了白矮星的形成),在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。费米子服从费米-狄拉克统计,遵守泡利不相容原理。

图片 5标准模型。图片来源:Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

标准模型中的费米子有六种是夸克(以紫色表示),有六种是轻子(以绿色表示),在这两类粒子右边有四种规范玻色子(以红色表示),最右边是希格斯玻色子(以黄色表示)。

“我觉得1TeV是个心理上的极限,”CERN(LHC所属的实验室)的高级研究科学家、比利时安特卫普大学教授阿尔伯特·德洛克(Albert de Roeck)说。

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有人会说已经够了,而其他人觉得还存在漏洞可以抓住。在标准模型的无数超对称扩展中,有更复杂的方案能使重于1TeV的标量顶夸克与其他超对称粒子一起去平衡顶夸克,调节希格斯子的质量。这个理论有太多变种,或者说独立的“模型”,完全判死刑几乎是不可能的。加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家乔·英坎德拉(Joe Incandela)曾在2012年代表CMS合作方宣布希格斯玻色子的发现,他说,“如果你看到了什么,你可以不依赖模型地声明你看到了一些东西。如果什么也没看到,这就有点复杂了。”

图3 标准模型中的基本粒子

粒子可能隐藏在各种边缘角落。比方说,如果标量顶夸克和最轻的超中微子(超对称理论中的暗物质候选者)恰巧具有几乎相同的质量,它们可能至今还隐藏着。这是因为当撞击产生一个标量顶夸克并衰变出一个超中微子时,只有很少的能量会以运动的形式释放。“当标量顶夸克衰变时,出现的一个暗物质粒子基本就坐那儿不动,”ATLAS成员、纽约大学的凯尔·克莱默(Kyle Cranmer)解释说。“你看不到它。所以在那些地方很难找。”在那种情况下,质量小至0.6TeV的标量顶夸克仍有可能隐藏在数据中。

来源:科普中国

实验学家在未来会努力排除这些漏洞,或挖掘隐藏粒子。同时,那些准备好继续出发的理论学家会努力面对没有自然界提供路标的事实。“情况很混乱也很不确定,” 阿尔卡尼-哈米德说。

如表所示,总计共有61种基本粒子。色(color)是一种内部自由度。值得注意的是,由于色禁闭和渐进自由,至今还没能观察到自由夸克,观察到的只是由两个夸克构成的介子、三个夸克构成的重子、四个夸克或者五个夸克构成的奇特态粒子。现代粒子物理学的各种理论模型是在标准模型的框架下,对粒子的各种性质进行更为详细和精确地描述。

许多粒子理论学家现在承认一个长期隐现的可能性:希格斯玻色子的质量就是不自然的——它的低值由一次偶然而精细的宇宙拔河中的抵消所产生——而我们之所以观测到如此奇怪的性质,是因为若非如此我们就不会存在。在这一情景中,有许多许多宇宙存在,每一个都由各种效果的不同偶然组合形成。在所有这些宇宙中,只有碰巧具有轻希格斯玻色子的那些才能允许原子形成从而孕育生命。但由于看起来无法验证,这种人择观点普遍不受欢迎。

粒子的内秉性质包括:质量,电荷,自旋,宇称性等;相互作用性质包括:产生道的截面,衰变道的分支比等。

图片 7尼玛·阿尔卡尼-哈米德正在普林斯顿高等研究院与同事讨论理论物理学。图片来源:Béatrice de Géa for Quanta Magazine

标准模型中的希格斯机制

过去两年来,一些理论物理学家开始为希格斯子质量设计全新的自然解释,以期避免人择推理的宿命论,又不必依赖LHC中出现新粒子。最近,当CERN的实验学家们为了寻找新粒子而忙于啃数据之时,他们的理论学同事们举办了一个研讨会,讨论诸如“松弛轴子假说”(relaxion hypothesis)——该假说认为希格斯子的质量不是由对称形成的,而是被宇宙诞生动态地塑造——的新思路以及可能的验证方法。加州大学圣塔芭芭拉分校的纳撒尼尔·克雷格(Nathaniel Craig)在研究一种称为“中性自然性”(neutral naturalness)的理论,他在从CERN会场打来的电话中说道,“既然大家都度过了双光子宿醉,我们该回归到那些旨在解决LHC新物理缺失的问题上来。”

在粒子物理学里,标准模型是一种被广泛接受的框架,可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。除了引力以外,标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。

阿尔卡尼-哈米德和几位同事最近提出了另一项名为“N自然性”(Nnaturalness)的新理论,他说,“许多理论学家,包括我在内,都感到我们处在一个完全特殊的时期,摆在桌上的问题不是下一个粒子的细节,而是真正的大型结构性问题。我们非常有幸生活在这样一个时代——即使我们有生之年可能不会出现重大而确凿的进展。”

早期的标准模型所倚赖的规范场论阐明,基本力是源自于规范不变性,是由规范玻色子来传递。规范场论严格规定,规范玻色子必须不带有质量,因此,传递电磁相互作用的规范玻色子(光子)不带有质量。光子的质量的确经实验证实为零。

当理论学家回到他们的黑板上,CMS和ATLAS的6000名实验学家正在为他们向未知领域的探索而欢欣鼓舞。“什么叫噩梦?”斯皮罗普卢在提到理论学家对“噩梦场景”的恐慌时说。“我们在探索自然。也许我们没有时间考虑那样的噩梦,因为我们正在接收海量的数据,而且非常兴奋。”

借此类推,传递弱相互作用的规范玻色子(W玻色子、Z玻色子)应该不带有质量,可是实验证实W玻色子与Z玻色子的质量不为零,这显示出早期模型不够完善,因此须要建立特别机制来赋予W玻色子、Z玻色子它们所带有的质量。

新物理仍有希望出现。但是在斯皮罗普卢看来,没有发现也是一种发现——尤其当它意味着一项重要理论的死亡。“实验物理学家们没有宗教,”她说。

由此在1960年代,几位物理学者研究出一种机制,其能够利用自发对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论。这机制被称为希格斯机制,希格斯机制已被实验证实。但是,物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节。

一些理论学家也同意。失望的说法是“疯狂的”,阿尔卡尼-哈米德说。“这就是自然!我们在学习答案!这6000个人正忙得四脚朝天,而你像个小孩一样没得到想要的棒棒糖就撅个嘴?”

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题图来源:Olena Shmahalo / Quanta Magazine

图4 英国物理学家彼得•希格斯

(编辑:Ent)

来源:www.ed.ac.uk

这机制假定宇宙遍布着希格斯场,其能够与某些基本粒子相互作用,并且利用自发对称性破缺使得它们获得质量。

希格斯玻色子是伴随着希格斯场的带质量玻色子,是希格斯场的量子激发。假若能证实希格斯玻色子存在,就可以推论希格斯场存在,就好像从观察海面的波浪可以推论出海洋的存在。

据说,希格斯在一次散步的过程中突发奇想,他认为空间就像水,物体在水中运动时会受到阻力,让运动变得困难;相应的,粒子穿行于空间中也会受到某种阻碍,使其需要有所付出才能获得加速度,在宏观上就体现为“质量”。这就是所谓的“希格斯机制”。

理论物理学家布莱恩•格林做过一个有趣的比喻。可以吧“希格斯场”想象成“狗仔队”,把空间中各种物质看做“明星”。“狗仔队”看见他们就会一拥而上,将其团团围住,而明星必须要使劲往前挤才能逃脱;明星挤得越费劲,与狗仔的互动越多,受到的阻力越大,说明他的“名气”越大。明星们的“名气”大小不同,相应的,不同粒子获得的质量也不同。比如光子的静质量为零(龙套演员?),因此光具有空间中最快的速度。

什么是自发对称破缺?

原来具有较高对称性的系统出现不对称因素,其对称程度自发降低, 这种现象叫做对称性自发破缺。或者用物理语言叙述为:控制参量 l 跨越某临界值时,系统原有对称性较高的状态失稳,新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态,系统将向其中之一过渡。

用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺:一支以笔尖直立于水平面上的铅笔,可以被看成是完全对称的,任何方向对它来说都没有区别;但如果这支铅笔倒在水平面上,它的对称性就被“打破”了,而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶,此时它的状态最为稳定。

希格斯粒子的发现

希格斯玻色子(英语:Higgs boson)是标准模型里的一种基本粒子,是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。

希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。根据希格斯机制,基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在,则希格斯场应该也存在,而希格斯机制也可被确认为基本无误。

物理学者用了四十多年时间寻找希格斯玻色子的踪迹。大型强子对撞机(LHC)是全世界至今为止最昂贵、最复杂的实验设施之一,其建成的一个主要任务就是寻找与观察希格斯玻色子与其它种粒子。

2012年7月4日,欧洲核子研究组织(CERN)宣布,LHC的紧凑μ子线圈(CMS)探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子(超过背景期望值4.9个标准差),超环面仪器(ATLAS)测量到质量为126.5GeV的新玻色子(5个标准差),这两种粒子极像希格斯玻色子。

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