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什么是标准模型?为什么希格斯粒子那么重要?

时间:2019-10-18 12:04:14

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什么是标准模型?为什么希格斯粒子那么重要?

关于标准模型中的粒子,最多的问题就是有关希格斯玻色子的,而希格斯玻色子更是被称为上帝粒子,因为在当时希格斯粒子被认为是标准模型中缺失的一块,如果没有找到整个标准模型将会崩塌。

今天我们就说下以下几个问题:标准模型中的粒子都有哪些?有什么作用?希格斯粒子是怎样被发现的?标准模型目前还存在什么问题?

上图中都是组成已知物质不同类型的粒子,下面我将对这些粒子做一个基本的介绍。这些粒子可以分为四种不同的类型:

1. 夸克:在左上角,夸克是微小的亚原子粒子。它们负责构成质子、中子和宇宙中所有元素的原子核。我们还在粒子加速器和宇宙射线的帮助下发现,发现了一些奇怪的粒子(比如:介子和超子)。六个夸克中每一个都有三种不同的颜色(红、白、蓝),两种不同的自旋(+-),以及物质和反物质两种类型,,总共72种可能的状态。事实上,我们所知宇宙中的大部分物质都是由夸克构成的。(但不包括暗物质。)

2. 轻子:在右下角,轻子比夸克轻得多。电子是最著名也是我们最熟悉的轻子,它负责电磁力,并把质子、中子和原子核变成原子。六个轻子都可以以物质和反物质的形式存在,但是电子、μ介子,和τ介子可以有两种不同自旋(+和-),下面三个中微子没有选择,“物质”中微子都是自旋-和“反物质”中微子的都是自旋+。轻子都有质量,包括不应该有质量的中微子(表明有一些超出标准模型的东西还没有被发现),总共有15种不同类型的轻子。

3. 规范玻色子(力的载体):上图右边,这些粒子负责夸克和轻子之间的力。最熟悉的就是光子负责传递电磁力。不过,光子没有物质和反物质之分,因为光子就是它自己的反粒子,它唯一的两种状态来自不同的自旋(+1和-1;0是禁止的,因为光子没有质量)。W玻色子(带+和-电,自旋为+1,0和-1)和Z波色子(中性,自旋为+1,0和-1),这些粒子负责传递弱相互作用力和放射性衰变。还有胶子,一种无质量的“胶水”,它是产生强大核力的原因。胶子负责把质子、中子结合在一起形成原子核。胶子也有两种不同的自旋(+1和-1),八种不同的颜色组合,没有电荷。总的来说,这意味着传递力的载体有27种不同的状态,目前除了引力以外,已发现的载体粒子能确定和解释三种自然力。

4. 希格斯玻色子:没有这个标量玻色子,标准模型就没有意义。7月4号,科学家宣布在LHC中发现了这种粒子。希格斯玻色字的发现标志着描述三种自然力和所有粒子的标准模型理论初步确立!希格斯玻色子会与夸克、带电的轻子和弱力载子相互作用,赋予它们质量,但不与光子或胶子相互作用,所以它们没有质量。

这些粒子生活在标准模型的动物园里。

当人们发现了夸克、轻子和力的传递粒子,而且这些粒子都经过了极其严格的测试。最后一个谜题就是:这些粒子的质量从何而来?

当时根据理论,希格斯玻色子应该与夸克、轻子、W和Z成双成对,并赋予它们质量,但与光子或胶子无关。理论上,希格斯玻色子也和自己配对,也就是说,它本身有质量。

质量是多少?一开始我们并不确定。但是,根据标准模型,我们可以限制它的质量。

在大型强子对撞机之前,我们还有LEP,它和现在的大型强子对撞机使用的27公里长的地下隧道是一样的。只不过,LEP碰撞的不是质子,而是电子和正电子。当时根据LEP的测量,如果希格斯粒子的质量低于114Gev/c,那么LEP就会被发现希格斯粒子,但是并没有,所以我们可以确信,如果希格斯粒子存在,它会比这个更重。(顺便说一下,GeV是能量的单位。相比之下,质子的静质能略小于1Gev/c,更准确地说是0.938 Gev/c)。

对电磁和弱相互作用的精确测量告诉我们,如果标准模型是有效的,希格斯粒子也不会太重。当时从世界各地多个对撞机的极限来看,希格斯玻色子的质量必须小于186 GeV/c。所以我们能找到希格斯粒子的范围很窄。

的7月,Tevatron(伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的巨型加速器)排除了部分质量范围!得到的结果是:如果希格斯粒子存在,它要么比158Gev/c轻,要么比175Gev/c重。

当时人们认为大型强子对撞机(LHC)位于法国和瑞士边境的巨型对撞机,应该能够找到这个拯救标准模型的粒子,

虽然关于希格斯粒子在理论上大多都是猜测猜测,但大多数人都认为希格斯玻色子会被发现。并且当时理论粒子物理学家都预计,当这种被发现时,它的质量将在140 GeV/c左右,当时人们猜测主要集中在以下三点:

也许希格斯粒子,标准模型中唯一的基本标量(无自旋)粒子,是被禁止的?毕竟,我们以前从来没有观察到过一个基本的标量粒子,大多都是复合标量粒子。(最后事实证明希格斯玻色子确实是标准模型中唯一一个基本标量粒子)

也许标准模型中的“粒子”根本不是基本粒子!虽然存在夸克禁闭之类的限制,但确实也是可能继续再分的。

也许(很疯狂的想法),我们对质量的起源和物质本质的理解存在我们还不知道的错误。

庆幸的是,大型强子对撞机的实验于3月14日公开确认希格斯玻色字的存在,质量是125GeV/c。基本粒子物理学的标准模型中唯一基本的标量玻色子就是希格斯玻色子。这项发现让彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒获得了诺贝尔物理学奖。

虽然希格斯玻色子的发现暂时保住了标准模型,但是我们依然面对很多问题。这不是一个大统一的理论。

标准模型粒子的质量之间为什么有那么大的不同?标准模型并没有包含广义相对论

质量的不同说明,希格斯粒子必须与粒子之间有不同的耦合常数,但标准模型并没有解释原因和方式。另外,尽管希格斯玻色子给了粒子一个“静止质量”(有些人称之为惯性),但它并不能解释具有质量的物体是如何产生引力和相互作用的。所以即使我们找到了上帝粒子,但标准模型还不够完善,我们还有很长的路要走。

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