作者:王婷婷 来源:科技日报 发布时间:2013-10-10 10:01:19
选择字号:
解读“上帝粒子” 和它的“小伙伴”

    大亚湾近点实验厅EH1(地下100米)。两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器成功安装在巨型水池之中,水池已逐步灌满超纯水。水池壁上安装着光电倍增管,通过探测宇宙线穿过水后产生的切伦科夫光,去除宇宙线对中微子探测的干扰。

 

大型强子对撞机中发生的每一次质子-质子对撞,都会产生大量接近光速向外飞散的粒子。正是从这些乱麻中找出的线索,帮助科学家发现了新的粒子。
 
10月8日,虽然推迟了一个小时公布,2013年的诺贝尔物理学奖还是毫无悬念地授予了“上帝粒子”的追随者们——彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒,以表彰他们对“上帝粒子”所做的预测。
 
“上帝粒子”的正式名称是希格斯玻色子,理论上认为是构成宇宙的最基本组成部件之一。科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在,其作用是解释为何其它粒子会拥有质量。
 
随着诺奖的出炉,“上帝粒子”再次名声大噪。然而微观世界中,“上帝粒子”还有许多“小伙伴”,有那些对我们来说并不陌生的质子、中子、电子,还有光看名称就足以令普通读者皱眉的夸克、中微子、玻色子……
 
北京大学百人计划研究员、物理学院曹庆宏教授告诉科技日报记者,除了诺奖新贵希格斯粒子,在粒子物理学“标准模型”中还包括强子、轻子、规范玻色子。
 
作为宇宙最基本的组成物质,它们身上有着哪些已知和未知的秘密?在人类探索自身乃至宇宙奥秘的过程中,它们又扮演着怎样的角色?
 
夸克
 
6种类型已被实验观测到
 
·知 道
 
1964年,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark )组成的。曹庆宏解释说,夸克还可以分成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。夸克互相结合,形成强子,强子中最稳定的是质子,它和中子是构成原子核的单元。
 
目前,夸克的六种类型已经全部被加速器实验所观测到。1974年,华裔科学家丁肇中和他的合作者发现了一个质量约为质子质量3倍的长寿命中性粒子。在公开发表这个发现时,丁肇中把这个新粒子取名为J粒子。与此同时,美国人里希特也发现了这种粒子,并取名为ψ粒子。后来人们就把这种粒子叫作J/ψ粒子。J/ψ粒子具有奇特的性质,其寿命值比预料值大5000倍;这表明它有新的内部结构,不能用当时已知的3种夸克来解释,而需要引进第四种夸克即粲夸克来解释。J/ψ粒子的发现大大推动了粒子物理学的发展。为此丁肇中和里希特共同获得1976年诺贝尔物理奖。
 
华裔高能物理学家叶恭平曾指出:“宇宙刚开始瞬间,只是基本粒子存在的状态,找齐6种夸克等基本粒子,将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段。因此,可以知道宇宙由过去到未来的演化历程。”
 
·不知道
 
于1994年在美国费米实验室被观测到的顶夸克,是夸克家族中最后发现的一种。目前关于顶夸克,人类了解得非常少,也是这一领域中比较热门的研究方向之一。曹庆宏指出,科学家们希望通过对这种粒子的研究,构建一个更加完美的理论物理的模型。
 
除此以外,6种类型以外是不是还有新的夸克?夸克是否还可以细分为更小的粒子?这些疑问还需要通过更深入的探索才能解答。
 
中微子宇宙间的“隐身人”
 
·知 道
 
中微子个头小,不带电,是轻子的一种。中微子又分为三种,即电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们在自然界广泛存在,几乎不与任何物质发生作用,号称宇宙间的“隐身人”。太阳内部核反应产生大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。除特殊情况外,在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面,因此探测来自恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。
 
中微子有一个特殊的性质,即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,通常称为中微子振荡。1998年,日本超神冈实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象。2012年3月8日14时,我国大亚湾中微子实验国际合作组在北京宣布,大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。这一重要成果对于最终揭开宇宙起源和演化之谜有着重大意义。
 
目前,中微子振荡尚未完全研究清楚,它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源与演化有关,例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。
 
·不知道
 
中微子有大量谜团尚未解开。
 
中微子的质量问题到底是怎么回事?中微子有没有磁矩?有没有右旋的中微子与左旋的反中微子?有没有重中微子?太阳中微子有没有失踪?太阳中微子的强度有没有周期性变化?太阳中微子失踪的原因是什么?有没有中微子振荡?宇宙背景中微子怎样探测?它在暗物质中占什么地位?有没有中微子星?恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘?
 
因此,中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。
 
规范玻色子
 
传递微观世界中的相互作用
 
·知 道
 
规范玻色子是这样定义的——传递基本相互作用的媒介粒子。曹庆宏解释说,好比站在两艘小船上相互抛球的两个人,他们之间的距离会随着球的抛接越来越远,而他们之间的这个球,在微观世界中,就可以看作是规范玻色子。
 
追溯这一领域的研究历史,会出现一个我们耳熟能详的名字——杨振宁。曹庆宏介绍,20世纪50年代初期,实验上发现了许多的新粒子,这些粒子之间的相互作用非常繁杂。1954年,杨振宁和米尔斯试图建立更为普适的相互作用理论,提出了具有定域同位旋不变性的理论,并发现对称性要求必须引入三种矢量规范场。我们熟悉的电磁理论虽然也遵从定域不变性,但光子之间并不存在直接相互作用。与此不同的是,杨-米规范理论中的规范场粒子之间存在直接的相互作用。非常不幸的是,定域不变性还要求规范波色子质量为零,这使得杨-米规范理论被粒子物理学界忽视了很久。
 
1964年希格斯等人提出“希格斯机制”,通过真空对称性自发破缺来赋予规范场粒子质量。1967年温伯格借助“希格斯机制”成功地建立和实验事实符合的电弱统一理论。此后,规范理论才引起人们的关注。
 
·不知道
 
曹庆宏指出,规范玻色子之间是有相互作用的,但这种作用形式是否确如电弱理论所预言的,亦或还有新规范波色子(或新的相互作用形式)等重要问题还需要进一步通过对撞机实验来验证。专家解释,目前人类想要研究宇宙起源时期物质的变化过程,只有在实验室中,通过粒子加速器中的粒子对撞来模拟,所以加速器是目前微观物理研究的一项重要工具。
 
延伸阅读
 
我国粒子物理研究还需努力
 
复旦大学物理系教授吴咏时授权果壳网发布的文章中,介绍了我国粒子物理研究的相关情况。他指出,这次欧洲核子研究中心的实验研究,有中国科学院高能物理研究所和北京大学的研究团队参与其中。
 
我国在粒子物理研究的另外一些领域也做出了很有影响的工作,比如在大亚湾进行的中微子振荡实验,首次测出了一个重要参数的数值。这显示我国对中微子振荡领域的研究,在国际上已占有一席之地。这个方面的研究,实际上也是和希格斯粒子的物理有重要的关联。
 
中国正在进行的寻找暗物质的研究,也是一项值得期待和关注的粒子科学前沿的探索。但是,中国在这些粒子物理前沿领域的理论研究上,还需要进一步努力,去赶超国际领先水平。
 
相关专题:2013年诺贝尔奖
 
 
 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 
SSI ļʱ
相关新闻 相关论文

图片新闻
找到了!胡椒那么辣的原因 科学家解析非洲猪瘟病毒颗粒精细三维结构
“零饥饿”目标面临“隐性”挑战 治病救人的大科学装置,中国有了
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐