重大突破！科學家首次觀測到「上帝粒子」衰變

ATLAS探測器位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織，該探測器是觀測到希格斯玻色子衰變現象的兩個探測器之一。

攝影：Babak Tafreshi，National Geographic Creative

撰文：Michael Greshko

幾十年來，物理學家一直在尋找希格斯玻色子——理論中的「上帝粒子」。2012年，科學家終於找到了這種難以捉摸的粒子，而且最近通過觀察希格斯玻色子的衰變過程，獲得了重大新發現。

在兩個最新的研究中，物理學家證實，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞器（LHC）觀測到了希格斯玻色子分解為成對的微小粒子——底夸克。該發現標誌著理論粒子物理學取得了一項巨大成就，而且希格斯玻色子的衰變就是由理論量子物理學所預測的。這項研究稱得上是幾十年難得一遇的實驗突破。

「我們沒想到真的能觀測到這一現象，」CERN的物理學家、超環面儀器合作機構的代理髮言人Andreas Hoecker說道。「許多人，尤其是長期參與這項實驗的人，對實驗結果感到非常激動。」

想知道希格斯玻色子、底夸克是什麼以及它們為何如此重要？下面我們將一一為你介紹。

希格斯玻色子是什麼？

希格斯玻色子是標準模型理論中的關鍵粒子，而標準模型理論是描述已知的基本粒子和其相互作用方式的理論，或者說是描述重力在量子級別的作用方式。我們知道標準模型理論是不完整的，該理論未包括暗物質，也就是占宇宙中全部物質總質量85%的難以捉摸的那種物質。儘管如此，該理論在描述宇宙的最基本方面還是非常成功的。

上世紀60年代，包括Fran?ois Englert和Peter Higgs在內的物理學家更新了標準模型理論，解釋了為何有些粒子沒有質量，比如光子，而另一些粒子則有質量。他們認為宇宙中存在一種與粒子採用兩種不同方式而相互作用的能量場。有些粒子在這種所謂的希格斯場中通過時就像什麼都不存在一樣，比如光子。另一些則像在糖漿中游弋一樣充滿阻力。正是這種阻力賦予了那些粒子質量。

在粒子物理學領域，場對應粒子：在一「池」電磁場中投入一塊石頭，一個光子就會隨之濺出。相似的，希格斯玻色子對應的就是希格斯場。

經過幾十年的研究，大型強子對撞器的研究者於2012年宣布發現了一種類似希格斯玻色子的新粒子，Englert和Higgs也憑藉此發現獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。自從那時起，物理學者一直對照標準模型理論研究這種新粒子，以觀察其特性是否與理論中的希格斯玻色子相似。從目前看來，事實的確是這樣。

夸克與希格斯玻色子有什麼關係？

與可以持續數十億年的電子不同，希格斯玻色子的生命極其短暫，持續時間不足十的二十一次方分之一秒。轉瞬即逝後，希格斯玻色子就會分解為其它類型的粒子。比如說，2014年研究者宣布大型強子對撞器的兩個探測器ATLAS和CMS觀測到希格斯玻色子衰變為成對的伽馬光子。

標準模型理論還預測希格斯玻色子可衰變成夸克。夸克共有6種：上、下、奇、粲、底及頂，它們都是原子中的質子和中子的基本構成要素。

希格斯玻色子的衰變必須遵循一些重要規則。比如說，由於希格斯玻色子不帶電荷，其衰變而來的新粒子結合後的總電量也是零。當希格斯玻色子分解為帶電的夸克後，都會成對出現：一個夸克和一個「反夸克」。「反夸克」和夸克其它方面都一樣，只是所帶電量相反。這樣一來，二者的電量就能相互抵消。

希格斯玻色子的質量也會限制其可能的衰變結果。由於底夸克要比希格斯玻色子的質量輕30倍，因此一個希格斯玻色子分解時可以輕易衰變為一對底夸克。標準模型理論認為，當一個希格斯玻色子衰變時，有58%的可能性分解為底夸克-反底夸克對。這一預測是標準模型理論的決定性試驗：如果研究者無法觀測到希格斯玻色子分解為底夸克，那麼人類對宇宙運行機制的理論則將會被推翻。

「標準模型理論將無法容納有關希格斯玻色子的假設，」Hoecker說道。

現在，研究者利用ATLAS和CMS探測器分別觀測到希格斯玻色子能分解為底夸克對，這充分表明理論與事實相符合。

研究者是如何探測到希格斯玻色子的衰變的？

早在上世紀80年代和90年代，當科學家首次構想出大型強子對撞器時，物理學家就明白探測到希格斯玻色子衰變多麼困難，Hoecker說道。大型強子對撞器在接近光速的情況下將兩束質子流相撞，由此在對撞器內部產生大量的粒子流。這一粒子流中包含大量不同的粒子，其中許多看起來都像是希格斯玻色子的底夸克衰變。

物理學家必須利用探測到的衰變粒子反推一個質子流碰撞是如何發生的，有點類似通過檢查車禍後的殘骸和輪胎壓痕推測一次重大交通事故是如何發生的。

經過多年的數據收集，ATLAS和CMS團隊的研究者通過模擬和機器學習演算法解釋了除希格斯玻色子衰變之外的一切現象。截至2017年，物理學家已經收集了用於證明希格斯玻色子衰變的足夠數據。到了今年6月，科學家們非常肯定收集到的數據並非偶然。

「這真的是一個極其複雜的過程，僅數據分析就有一個近100人的團隊在做，」Hoecker說道。「總的來說，採集數據，操作ATLAS探測器，校正探測器……工作量大的無法想像。整個項目大約有3000位科學家參與。」

為何新發現如此重要？

舉例來說，研究者進一步發現了物質是如何獲得質量的。這在我們認識宇宙的征途上又是一個巨大進步。

此外，由於希格斯玻色子在標準模型理論中具有重要地位，即便是理論與現實之間的細微差異就有可能開創新的物理學領域。如今，既然物理學家已經知道LHC探測器能夠探測到底夸克衰變，那麼他們就會開始研究這一衰變是否打破了任何規則。

「隨著每一年收集到更多的數據，我們希望發現實際觀測與預測結果是否存在差異，」Hoecker說道。「沒必要去想偏差必須要大，通常在物理學中，精確性才是最重要的。」

我們可能發現宇宙的什麼隱藏規則呢？Hoecker表示，在希格斯玻色子揭示更多秘密之前，科學家都無法確認：「我們只能繼續心懷謙卑地研究，自然會告訴我們答案。」

（譯者：流浪狗）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！