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如果把物质分割得越来越小,会发生什么?

时间:2013-10-08 20:56:43  来源:  作者:

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。

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。

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。

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?

破缺的对称

在标准模型之中,构成物质的费米子通过作用力发生相互作用,而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例,是它使得原子能够形成,驱动电流在我们的电器中奔腾,而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡:电子(携带1个负电荷)感受到的电磁力,就要强于夸克(携带- 或者+ 个电荷)。不带电荷的中微子,根本感受不到电磁力。

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。

至于标准模型中的第三种作用力,弱核力的强度相当弱,但如果没有它,驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱,大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。在通常条件下,如果可以的话,物质粒子更愿意交换没有质量的光子来发生相互作用。

在极高的能量下,比如在宇宙诞生的最初一瞬间,或者粒子加速器的对撞当中,这些差异就消失了。电磁力和弱核力,在日常生活中相差如此之巨的两种作用力,变成了统一的“弱电力”。

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。

概念的诞生

对称破缺并不仅限于奇异的作用力。日常生活中我们都会遇到一个例子,那就是液体冷却后变成固体。对于液体来说,从所有方向上看过去,它都是一样的。而对于固体来说,沿着不同的轴向看过去,它的样子会有明显的区别。在这个过程中,前面这种广义上的对称状态被后面这种不太对称的状态取代了。

上世纪60年代,粒子理论学家开始研究,能不能发展出一些工具来描述这种对称破缺,以便应用于不断冷却的宇宙。这绝非易事。固体或液体之中分子的相互作用,可以通过一套固定的参照坐标系来定义,然而由于爱因斯坦的广义相对论,在宇宙之中你找不到这样一个标准的参照系。

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。

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。

新粒子现身

希格斯玻色子是短命的粒子,几乎会在一瞬间就衰变成其他粒子。为了推断出它的存在,我们必须测量这些衰变产物,寻找它们是从一个希格斯粒子衰变而来的证据。

幸运的是,标准模型预言出了我们需要知道的、有关希格斯玻色子的一切——除了它确切的质量。对于每一个可能的质量,我们能够预言大型强子对撞机(LHC)中能够产生的希格斯粒子的数量,并且预言它们会衰变成什么。

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。

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