希格斯粒子为什么叫上帝粒子,破碎的镜像

2019-11-30 14:35栏目:奥门新萄京娱乐场
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深刻的影响

这种诞生自不稳定对称的稳定非对称,并不只是学究的珍玩而已。假如W和Z玻色子没有质量,我们现在所知的弱核力就会和电磁力具有相同的强度。弱核力控制着恒星中氢聚变成氦的热核反应,要是它和电磁力一样强,恒星反应堆就会过快地燃烧殆尽,早在人类出现之前很久就熄灭了。看到没有,长期生命演化得以成为可能,都仰仗着希格斯机制呢。

所以“恒而不稳,不若稳而不恒”,也许真的是宇宙、生命及几乎所有一切的关键所在。所有恒星系的存在都得益于反物质和物质的不平衡,我们的宇宙也许同时充斥着物质和反物质,但和球状星系类似,某个局部也许物质占优,而反物质则通过宇宙整体对称性隐藏在某个遥远的地方。我们恰好生活在一个物质团块中,这个团块虽然很大,宇宙却更为广阔,焉知某处不会有反物质聚集而成的星系呢?多亏稳定的非对称为我们赢得了眼前的一切。生命的左手征或许也是这种效应的结果,远古的偶然偏差被自然选择放大成了今天主宰生命的特征。尽管巴斯德没能见证后人取得的这些成就,但他可能掌握了真理:我们得以存在,多亏非对称的宇宙。(编译:kingmagic,编辑:Steed)

 

编译自:《新科学家》,The mirror crack'd: Why physics is lopsided

到了这一步,你就已经抵达了标准模型(我们当前的粒子物理学理论)之中,我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质,到了这个地步,你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。

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例如,希格斯粒子有时应该会衰变成一对高能光子。由于粒子衰变时动量守恒,这两个光子的动量就可以换算为产生这两个光子的粒子的质量。许多现象都会产生一对光子,但如果我们专注于那些看上去像是希格斯玻色子产生的光子,然后把它们的动量绘制在一张图表上的话,在对应于特定质量的动量数值上就会出现一个“鼓包”——某种未知的粒子就会以这样的形式显现出来。ATLAS和CMS都在质量相当于大约125 GeV的位置上看到了这样的鼓包。2012年7月4日,他们向全世界宣布了这一结果。

不仅电荷如此,夸克的团簇让质量累积的方式也产生了偏向。当聚拢在一起构成质子时,夸克的能量非常高,这是量子不确定性对局域在质子内部的夸克施加的要求,因为此时夸克被限制在大约只有10-15米的范围内,能量的不确定性就非常高。而根据它们的总能量,用能量和质量间的等效关系E=mc2,可以算出一个质子的质量是电子质量的将近2000倍。因此原子内质量也是不平衡的,轻飘飘的电子所围绕的,是一个沉甸甸的、由质子和中子构成的带电原子核。

当两个质子在大型强子对撞机的ATLAS和CMS探测器的核心对撞时,它们会分解成构成质子的夸克和胶子,进而衰变成朝各个方向四散奔逃的大量粒子。这些探测器的任务就是测量或者分辨这些碰撞产物。

上述情况是完美平衡起到至关重要作用的范例。但达到这种平衡的过程确是极端非平衡的。就目前所知,电子是基本粒子,质子却不是,而是由夸克构成。电子携带1个单位负电荷,夸克则携带着 2/3或-1/3的电荷,然后3个夸克一组构成 1电荷的质子,以及0电荷的中子。因此,即便是最简单的原子,也是不对称的:它的质子太复杂,而电子又太简单。两者之间完美的平衡暗示,存在更深层的对称性将电子和夸克联系起来,但目前我们对它仍一无所知。

最终,你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。

对称总是令人满意的。它是和谐与平衡的化身,所有的对称都让我们感觉良好。但是,尽管物理学家以对称性为指南来构建理论,自然界对偏倚倾侧的喜爱却更甚于四平八稳。非对称(Asymmetry)包含的信息通常远多于对称,对某种特定非对称性起因的理解,往往可以揭示通向实在深幽本质的蛛丝马迹。彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩勒特(François Englert)在50年前构想出基本粒子获取质量的图景时,也正是遵循此道。今天我们将这一图景称为“希格斯机制(Higgs mechanism)”。2013年10月,他们的工作终获回报,两人分享了诺贝尔物理学奖。

一个受人欢迎的提议能够解决这个问题,那就是超对称。这种理论通过费米子和玻色子之间的一种对称,扩展了标准模型。它预言了一大批新粒子,每一个玻色子都有一个费米子与它对应,反之亦然。这些新粒子之间的相互作用,能够自然而然地抵消使得希格斯粒子质量增大的那些因素。

有时候对称本身能从非对称中涌现出来。我们都由原子构成,而原子又靠正负电荷之间的吸引力来维系。比如,最简单的原子是氢原子,由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成。而在物质中,这些电荷数目维持着精确的平衡,电荷相互抵消,只留下引力统治着物质间的长程相互作用。

LHC位于一条27千米长的隧道之内。通常,它被描述为一个环,但实际上,它更像是一个边角有些圆的八边形。在直线段,强大的电磁场给两束相对运行的质子束注入能量,每次经过都会给它们加速。等到对撞时,它们的速度已经达到了光速的99.999999991%。

反物质缺失之谜是整个宇宙最根本的非对称性,至今仍悬而未决。也许,这是由自然定律底层的某种内禀非对称性导致的。果真如此的话,那这种内禀非对称性仍有待我们去发现。也可能,这是基本对称性被隐藏起来的例证之一,表明物理世界的表象与其深层结构之间存在着巨大差别。正是这种“隐藏对称性”的想法,将希格斯和恩勒特引向了诺贝尔奖。

弱电力分裂成电磁力和弱核力的过程,被称为弱电对称破缺,必定发生在宇宙早期的某一时刻。不管是什么导致了这一过程的发生,它与质量之谜都有着明显的关联。毕竟,通过这一机制,W玻色子和Z玻色子获得了质量。希格斯玻色子最初就是提出来解释这个对称为什么会破缺的。

倾斜的生命

生命本身就建立在隐藏对称性之上。初看起来,人体似乎是镜像对称的,但即便在外观上也存在着不对称的因素,比如头发往往会披向一边。更重要的是,我们的内部脏器都不是镜像对称排布的,部分原因在于,心脏本质上就是个非对称器官。一个心室负责向全身输泵含氧量高的动脉血,这需要一个强有力心室,另一个心室则负责向肺部输送有待补充氧气的静脉血。由于心肺距离很近,所以后一个心室不需要那么强壮,因此两个心室强弱并不对称。这也是我们大多数人感觉心脏位于胸腔左侧的原因。其他内部器官围绕心脏以一种非对称的方式排布,所有人都如此,但是每20万人当中会有一个,他的脏器排布方式刚好与正常方式成镜像反转。

在更深的层次上,构成生命的分子本身就是不对称的。微生物学先驱路易·巴斯德(Louis Pasteur)甚至怀疑,是否“生命存在本身就是宇宙不对称所导致的结果”。

生命的要素是碳,而量子定律决定了每个碳原子与周围其他原子可以形成4条共价键。一个最简单的例子就是甲烷CH4,它呈现出一个完美对称的正四面体构型——1个碳原子居中,4个氢原子构成正四面体的4个尖角。但是,假设碳的4个化学键连接的都是不同元素或分子,比如一种存在于牛奶中的分子C[H][COOH][CH3][OH],这种分子就没有转动对称性,而且它的两种镜像分子化学性质完全不同。在刘易斯·卡罗尔(Lewis Carroll)的《镜中世界奇遇记》中,爱丽丝想知道由镜像分子构成的牛奶能不能喝。答案是,对大多数人而言都不能喝,因为牛奶中那种分子的镜像就是会引起肌肉酸痛的乳酸。

作为生命构架的氨基酸也具有四面体构型,也同样会有镜像分子,或者叫同分异构体。其中一种同分异构体可以构成生命,其他的就不行,至少目前我们还没发现。因此,在分子水平上,生命不是镜像对称的。尽管自然定律允许左手征和右手征分子以对称形式存在,但生命只能由其中一种构成(左手征)。就此而言,基本对称性在生命中被隐藏起来了。

如果把物质分割得越来越小,会发生什么?

图片 1生命、宇宙以及几乎一切问题的答案,可能是非对称性。图片来源:kk.org

概念的诞生

图片 2初看起来,人体似乎是镜像对称的,但即使在外观上,也存在着不对称的因素。图片来源:wetcanvas.com

至于反物质,CERN的实验或许可以制造并且存贮它们,我们甚至在正电子发射断层扫描仪(PET)中利用它们来帮助医生诊断癌症。LHCb实验装置会检测质子-质子碰撞中产生的短命粒子的衰变,寻找反物质粒子何以如此稀少的证据。

扭曲的星系

稳定和对称亲如兄弟。即使你用双手握在购物推车把手的绝对中点去推它,它似乎也不会按你的想法笔直前进,而是要么偏左,要么偏右。这个例子说明,对完美对称哪怕最细微的偏离都会导致高度不稳定,因为你的右手可能比左手更有力,所以造成小车前进方向的巨大偏移。

要是一个系统只受引力作用,又会如何?牛顿告诉我们,物体间的引力不关心方向,因此引力具有球对称性,所以最自然的结果是,引力作用会形成球对称的结构。月球和太阳都是绝佳的例证,球状星系也是如此。但是,绝大多数星系都不是球对称的。就拿旋涡星系来说,它们基本上都只沿着一个平面扩展。如果我们的星系样本只有仙女座大星系这一个旋涡星系的话,搞不好会得出这样的结论:引力只在二维平面上才是对称的。

图片 3如果我们的星系样本只有仙女座大星系这一个旋涡星系的话,搞不好会得出这样的结论:引力只在二维平面上才是对称的。图片来源:NASA

这其中的原因在于,球状星系是高度不稳定的。除非星系内所有的恒星都走位完美,在三维对称的共同引力的作用下落向中心,穿越过去,然后再落回来——如此来回振荡,直到形成一个稳定结构。只要有非常轻微的扰动,比如来自另一个星系的羁绊,就可以打破这个平衡。在这种情况下,自然会舍对称而取平衡。一个对称但不平衡的系统,会将对称隐藏起来,求得稳定。正所谓“恒而不稳,不若稳而不恒”。

不过,整体而言,整个宇宙中的旋涡星系群仍保持着3维对称性,因为它们星系盘的朝向是随机的,所有方向都有。在个别情况下,稳定性要求对称性隐匿起来,但是对称性在整体上仍得以保留。

我们还可以用一顶墨西哥草帽来说明稳定性如何隐藏对称性。将一顶墨西哥草帽倒扣在桌上,然后放一个球进去,这个球会很自然地呆在帽子底部,因为在那里不仅稳定而且具有转动对称性。现在将帽子正扣在桌上,然后把球放在尖顶处,此时对称性维持不变,仍然具有关于中轴线的转动对称性,但现在的对称是不稳定的——很明显,小球会随机从某个方向滚到帽檐沟里去,底层的对称性仍然存在,但现在已经被隐藏起来了。(这是所谓对称性自发破缺的一个典型例子,意思是说,整个系统从方程上来看仍然具有关于中轴线的转动对称性,但是这个系统的稳定解没有继承系统的对称性,被称为对称性自发破缺,在稳定解中系统的对称性被隐藏了起来。)

现在我们可以回到希格斯机制了。在对电磁场这类场的量子描述中,对称性意味着粒子具有0质量。对此,电磁场没有任何问题,因为传递电磁相互作用的是光子,本身就是无质量的。但是传递弱核力的W和Z玻色子是有质量的,而且两者质量还不相同,因此量子场的底层对称性一定被深深隐藏起来了,那它是如何被隐藏的呢?

如此简洁的基本粒子组合,与实验事实完美吻合,但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性,被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同粒子的质量各不相同,从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克,跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方,为什么又如此千差万别呢?

对粒子层次物质实在的其他审视则会揭示出更多的不对称性。为何没有带正电的电子和带负电的质子?对于这些“反物质”,稳定原子的量子规则和电磁学理论也完全适用。《星际迷航》爱好者和丹·布朗(Dan Brown)的书迷都知道,物质和反物质只要一接触,就会湮灭成能量,以光子形式向外辐射。因此如果宇宙从空无中由一场炽热大爆炸创生,那大爆炸辐射出的能量就应该肇生出等量的物质和反物质,然后它们又相互湮灭,复归于空无。但是我们所知的宇宙偏离了这种对称性,留下了物质,却没有留下反物质。

中微子也可能会提供一些帮助。这些幽灵一般的粒子在空间中穿行时,会在3种中微子之间相互变换。在中国和韩国之间测量不同中微子混合程度的实验暗示,正反物质的失衡可能也存在于中微子当中。自然界中观察到的正反物质差异,和标准模型的预言之间存在的巨大鸿沟,或许可以借此得以弥补。

沉重的光子

光子在某种情况下也会表现出非零质量,正是这种现象给了希格斯、恩勒特和其他人以灵感。这种情况就是,将一个光子射向等离子体,即一团由离子构成的气体。只有当光子的频率足够高时,它才能穿透这团等离子气。这个频率阈值被称为“等离子频率”,低于这个频率的光子会被反射回来。

无线电波在电离层上的反射,便是现实世界中一个类似的例子,电离层其实就是大气上部的一层等离子体。正是这种反射使得无线电波能从美洲传到欧洲,但同时我们仍可以看见穿透电离层的点点星光(注意,光也是电磁波),因为可见光的频率比无线电波更高,能量也更高,可以不受阻碍地穿过电离层。

这意味着,假如有生物生活在等离子体中,他们就只能看到高于某个能量的光子。再根据质能方程E=mc2,最低能量意味着最低质量,于是,等离子体中生活的生物肯定认为光子是有质量的。

图片 4在对称和稳定之间,物理学往往会选择稳定,而非对称。正所谓“恒而不稳,不若稳而不恒”。图片来源:《新科学家》

一个具有怀疑精神的物理学家会看出点问题。光子的电场和磁场振荡方向都与光子的运动方向垂直,也就是说没有沿着光子运动方向的纵向振荡,然而量子力学要求任何具有质量的实体都具备这样的纵向振荡。不过当光子穿过等离子体时,等离子体本身会沿着光的传播方向振荡,就好比一束在空气中传播的纵向声波一样。因此整体上来看,等离子体中的有质量光子满足了所有要求——换句话说,要求光子无质量的基本对称性被隐藏起来了。

希格斯、恩勒特等人的发现,关键在于推广上述想法。想象整个空间中都充斥着某种形式的“等离子体”,它对光子而言是透明的,对W和Z玻色子却不是,于是W和Z玻色子就带上了质量。在这幅图景中,我们成为了那些经验只局限在这种奇怪而又无处不在的等离子体中的生物。这种“等离子体”,被称为希格斯场(这个名字其实有一点不太公平)。

希格斯场的数学描述,类似上述例子中的墨西哥草帽,只不过这里出现的对称性,是量子场论中的所谓规范对称(gauge symmetry)。当希格斯场为0时,规范对称性被保持,这意味着无论光子还是W和Z玻色子都是无质量的。然而,正如小球会滚进帽檐沟一样,真空总是会趋向能量最低状态。在这种类比中,小球代表了希格斯场的各种可能状态。当真空到达能量最低态后,规范对称性虽整体上仍然存在,但它的后果却被隐藏起来,于是粒子便获得了质量。

其实,一些研究者在1964年就认识到,小球可以在帽檐沟里无障碍地滚动,相当于W玻色子这样的有质量粒子存在着“额外振动维度”,等价于上面提到的等离子体的纵向振动。

但是只有希格斯注意到,小球还可以沿着帽檐沟的两侧上下振荡。这种振荡隐含在量子不确定性之中,同样也对应一种有质量粒子,就是现在我们所说的希格斯玻色子。1967年,汤姆·基伯(Tom Kibble)证明,W和Z玻色子如何通过与希格斯粒子的相互作用而获得质量,同时仍保持光子的质量为零,从而给希格斯的图景添上了完美的一笔。

图片 5墨西哥草帽本身是对称的,但小球却会随机滚落到并非对称点的帽檐沟里。希格斯粒子也可以用墨西哥草帽来类比。点击查看大图。图片来源:《新科学家》

尽管我们相当确定,新发现的粒子正如希格斯粒子那样会衰变成携带作用力的玻色子,但我们还不太确定它会不会衰变成构成物质的费米子。在更为罕见(或者说隐藏更深)的衰变中,希格斯粒子会衰变成底夸克、τ子,甚至μ子。升级之后的大型强子对撞机应该能够精确地测量这些衰变。

夸克事实上还可以分成6种:构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克,另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族,即轻子:包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子,以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子,被统称为“费米子”,都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。

这是个漂亮的花招。为了找出还有没有更多的东西,我们需要曝光希格斯场,方法就是让它产生涟漪,而那些涟漪会被我们看成为希格斯玻色子。理论和实验的发展让我们对所需的能量有了一个很好的估计:希格斯玻色子的质量必定介于大约100 GeV到400 GeV之间。我们需要找一个相当巨大的机器才行。

后来被称为希格斯场的这个东西,它的中心思想就在于:即使处于最低能的状态,空间也绝非空无一物。在空间中穿行的粒子或多或少会与这个场发生作用,这种作用使粒子在运动时产生了一种“粘黏”的特性,也就是质量。W玻色子和Z玻色子通过与这个场的某种相互作用获得了它们的质量,费米子则通过另外一种相互作用获得了质量。由于希格斯场不携带净的电荷或者色荷,光子和胶子根本不与它发生作用,因此仍然没有质量。

这并不是唯一的证据。希格斯玻色子还应该会衰变成两个Z玻色子,然后再进一步衰变成两个轻子。把这些轻子的动量加在一起,在光子数据中相当于同样质量的位置上,也产生出了一个峰值。W玻色子也提供了它们的证据。这些粒子衰变成为中微子,后者还没有被检测到,因此在这个实验中还没有出现明确的质量鼓包。相反,我们只看到了更多的W玻色子衰变,数量比希格斯玻色子不存在的情况要多。

最让人捉急的问题在于这个粒子的质量。在标准模型中,希格斯粒子与它自身及周围粒子的相互作用似乎暗示,它应该拥有巨大的质量。但大型强子对撞机中发现的这个粒子,质量要小得多。

标准模型是一个巨大的成功。然而,就算有了希格斯玻色子为它加冕,它也仍然是不完整的。引力在标准模型中明显缺席,而且它也无法解释暗物质——这种东西只能通过它的引力作用在天文观测中被察觉到。接下来还有一个谜题:为什么物质会比暗物质多这么多,因为标准模型预言,它们的数量应该差不多是相等的。

再向外一个同心环,则由填充着液态氩(ATLAS)或者钨酸铅晶体(CMS)的探测器构成。与这些探测器中密集排列的原子发生的碰撞,会让大多数粒子停滞在其中,这些粒子减速时发出的光子可以用来测量那些粒子的能量,从而鉴别它们的身份。

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另一个关键问题在于,新发现的粒子如何与W玻色子和Z玻色子发生相互作用。科学家认为,正是通过这些相互作用,希格斯玻色子才把弱电力分割成了电磁力和弱核力。现在,我们已经有一只脚站在了更坚实的土壤之上:新粒子衰变成W玻色子和Z玻色子的概率与标准模型预言的希格斯玻色子大致相符。进一步的测量或许会揭示它与标准模型的细微差异,也可能会揭示某些扩展模型中预言的其他希格斯玻色子。

1964年,比利时理论学家罗伯特·布绕特(Robert Brout)和弗朗索瓦·恩格勒(Fran ois Englert)提出了量子场方程,这种场能够弥漫于整个宇宙,在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)提出了同样的方程,并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。同年稍晚些时候,杰拉德·古拉尼(Gerald Guralnik)、卡尔·哈庚(Carl Hagen)和汤姆·基博尔(Tom Kibble)将这些概念整合成了一种更为现实的理论——这就是标准模型的前身。

但是,希格斯粒子并不是作用力的携带者。作为赋予其他所有粒子质量的一个背景场所产生的粒子,希格斯粒子必定能够与所有其他粒子发生相互作用,不管它们自旋是多少——这种情况,只有当它的自旋为0时,才有可能出现。目前的证据已经相当具有说服力,但对这种新粒子的衰变产物的角分布进行更精确的测量将告诉我们,有没有什么变故隐藏在其中。

自旋便是有待探测的特性之一。希格斯玻色子之所以被归类为玻色子,是因为理论预期它的自旋应该为整数——这就使它与光子之类携带作用力的粒子被归入了同一大类。目前发现的所有玻色子,自旋都为1;而构成物质的粒子,比如夸克和电子,自旋都为半整数(比如1/2)。

尚未回答的问题

粒子物理学的下一步,必须要解释这些谜题。比如,我们有可能在大型强子对撞机的质子碰撞中产生出暗物质粒子,或者在深埋于矿井和坑道之中的几个实验装置中避开宇宙线的干扰而搜寻暗物质粒子的踪迹。另一种途径是,我们或许可以观察空间中两个暗物质粒子湮灭而产生的高能粒子来间接地观察暗物质,比如正在国际空间站上展开实验的阿尔法磁谱仪(AMS)。

要弄弯如此高速运动的粒子束,你需要非常强大的磁铁。电阻带来的任何能量损失,都会成为运行时的短板,因此磁铁必须由超冷的超导材料制成。即使如此,它们也只能把粒子束弄弯一点点——这就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。

夸克还拥有各自的“色荷”,被称为胶子的粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多,但奇怪的是,胶子本身也携带色荷,因而会彼此粘黏在一起。于是,我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游,只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。

爱因斯坦提出的最著名的一个方程,E = mc2,将能量和质量联系在了一起。后果之一便是,当大质量粒子高速对撞在一起时,释放出来的能量能够用来创造出其他的大质量粒子。瑞士日内瓦附近CERN的大型强子对撞机,已经花了两年时间,将能量高达4 TeV的质子对撞在一起。将携带这么多额外能量的两个质子对撞在一起,理论上,你能够创造出8000多个质子。

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