如何製造希格斯玻色子？

沒有質量的粒子的碰撞似乎不能產生「能夠賦予質量」的希格斯玻色子，但是在大型強子對撞機（LHC）中，只要一秒鐘就會產生希格斯玻色子。

愛因斯坦最著名的理論，通常都會被寫成E=mc^2，告訴我們能量和物質只是同一枚硬幣的兩面。

大型強子對撞機利用這一原理將普通粒子中包含的能量轉換為在自然界中難以找到的新粒子，如希格斯玻色子、它的質量過大，以至於它一出現就變成更輕更穩定的粒子對。但不是任何碰撞都會產生希格斯玻色子。

「希格斯不僅是因能量的碰撞而產生的，」麥迪遜威斯康辛大學的研究員Laura Dodd說，「粒子運動有一條嚴格的定律，規定了它們是如何形成，變化以及相互作用的。」

其中一個定律指出，希格斯玻色子只能由那些與希格斯場相互作用的粒子產生。換句話說，就是具有質量的粒子。

希格斯場就像一個無形的蜘蛛網，蔓延到整個空間。當粒子穿過它時，有些會纏在粘稠的「蛛絲」上，這個過程會使粒子的質量增加，速度減緩。但對於其他粒子，如光子和膠子，這個網是完全透明的，它們可以毫無阻礙地通過。

如果有足夠的能量，在希格斯場中的粒子可以將它們的能量傳遞給希格斯玻色子，產生出一個希格斯玻色子。因為無質量粒子不會與希格斯場相互作用，所以說它們不能產生希格斯粒子也是有道理的。但是在LHC的科學家們不同意這個理論。

LHC將周圍27.4公里內的質子加速到正好低於光速的速度，然後使它們在軌道的四個交叉點處迎面相撞。質子不是基本粒子，不能分解成任何更小組成部分，它是由膠子和夸克組成。

當兩個質子相互穿過時，通常是無質量的成對膠子，她們能夠穿過隱形的能量場並與其它能量結合，以激發其他粒子，包括希格斯玻色子。

我們知道粒子運動關於粒子之間的通信有一條嚴格的定律。怎麼做呢？膠子已經有了一種隱藏手段。

杜倫大學粒子物理現象學研究所理論家Richard Ruiz說：「如果LHC中的碰撞是一個簡單的一步到位的過程，就不可能產生含有膠子的希格斯玻色子。

幸運的是，這不是一個簡單的過程。

膠子可以暫時將其能量轉移到虛擬粒子上，從而將膠子的能量轉化為質量。如果兩個膠子產生一對虛擬頂夸克，頂夸克可以重新組合併變成希格斯玻色子。

要清楚的是，虛擬粒子根本不是穩定的粒子，而是在非常短的時間內以半焙燒狀態存在於量子力學場中的不規則干擾。如果一個真正的粒子是一個繁榮的公司，那麼一個虛擬粒子就是一個空殼公司。

理論家預測，約有90％的希格斯玻色子是通過膠子融合而形成的。兩個膠子相互碰撞併產生一個頂夸克，並且能產生一個希格斯粒子的概率大約是20億分之一。然而，因為大型強子對撞機每秒會產生1000萬次質子碰撞，這個產出率有利於科學家的研究，大約是每兩秒鐘就會產生一個希格斯玻色子。

Dodd說，在發現希格斯玻色子後不久，科學家們大都把注意力集中在希格斯玻色子衰變後會發生什麼。

「但是現在我們有了更多的數據，對希格斯粒子有了更好的理解，我們開始仔細觀察碰撞的副產品，以更好地研究在通過不同機制時希格斯粒子產生的概率，」她說。

粒子物理的標準模型預測，幾乎所有的希格斯玻色子都是通過四種可能的過程之一產生的。科學家們希望看到的是希格斯玻色子的產生方式，是在粒子物理學的標準模型預測之外的，比如新粒子的衰變。能夠打破已知的規則，這說明我們的理解比以前的物理學家更廣泛。

Ruiz說：「我們知道粒子運動關於粒子之間通信有一條嚴格的定律，因為我們在我們的實驗中一次又一次地驗證了這條定律，「所以現在的問題是，如果有一個未被發現的粒子的整個片區不能與我們的標準粒子通信，但可以與希格斯玻色子相互作用？」

科學家們正密切留意種種意外的情況，例如碰撞中放射出的某些微粒過多或衰減路徑比科學家預測的頻率更頻繁。這些指標指向，那些未發現的重粒子可能變為希格斯玻色子。

同時，為了在有時產生希格斯玻色子的連鎖反應中有一些意想不到的發現，科學家們必須知道他們應該期待什麼。

Ruiz說：「我們有非常好的數學模型可以用來預測，我們已經知道方程的兩邊是什麼。現在我們需要通過實驗來驗證這些預測，看看是否考慮到了所有的變數。如果沒有，就找出那些缺失的變數可能是什麼。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！