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伟大的追寻开始了
寻找希格斯玻色子的工作并没有在其存在被假设提出后就立即展开。
起初,人们并不完全清楚粒子在新理论中所起的决定性作用。
直到20世纪70年代中期,当标准模型最终被科学界接受时,人们才进行了系统的尝试来验证其所有预测,包括这种非常特殊的玻色子的存在。
那篇引起实验物理学家注意的文章发表于1975年。
在经历了几十年的疯狂追寻之后,今天重读理论家约翰·埃利斯和迪米特里·纳普洛斯最初研究得出的结论,也会让人感到好奇。
在描述了新粒子的特征和它衰变的各种方式之后,两位科学家得出了这样的结论:“我们向实验物理学家道歉,因为我们不知道希格斯玻色子的质量,也不知道它与其他粒子的耦合,只不过它们可能非常小。
由于这些原因,我们不想鼓励大规模的实验研究,但我们觉得有责任告诉那些将要在希格斯玻色子存在的情况下进行潜在敏感性实验的人,希格斯玻色子是如何逃离在他们的实验数据之外的。”
没有人会想到,在这样谨慎的言辞之后,物理学史上耗时最长、耗资最大的粒子追寻终将结束。
标准模型赋予了希格斯玻色子一个非常明确的角色,并精准地确定了它的所有特征。
除了一点,对于那些将要寻找它的人来说,这是最重要的:质量。
理论上,它是一个自由参数,就像你正在寻找的东西可以像蝴蝶一样轻,也可以像大象一样重。
这幽灵般粒子的许多特性取决于质量:首先是可以产生幽灵般粒子的原理以及能够产生这种现象的可能性;然后是玻色子实际存在的时间段,最后是它衰变并分解成其他粒子的方式。
在这一点上必须记住,自然界中稳定的自由粒子,如光子、电子和质子,是少数。
还有一小群其他粒子,如中子和μ子,它们虽然不稳定,但寿命足以在探测器中留下信号。
不过自然界的绝大部分是由不稳定的粒子组成的,也就是说,它们会立即衰变成其他粒子,希格斯玻色子也不例外。
因此,我们不能考虑直接识别它,不能指望通过它在测量仪器上留下的直接痕迹而观测到它。
它的存在是根据它衰变产物的记录和研究推断出来的,而质量是决定它将产生哪些其他粒子的决定性参数。
可能性的范围是巨大的,对于那些敢于追寻它的人来说,这是一个真正的噩梦。
这就像在太平洋寻找新的动物物种,却不知道它们是生活在岛屿植被中的小昆虫,还是大型深海鱼类。
这种情况与W和Z玻色子的研究完全不同。
当鲁比亚决定修改当时最强大的加速器以实现其目的时,目标非常明确:精确地探索W和Z玻色子可能隐藏的质量区域。
电弱理论自信地预测,它们的质量一定是80~90GeV[20]—几乎是氢原子质量的100倍,并且这些粒子所有产生和衰变模式都得到了明确定义。
只需要建立一个足够强大的加速器,并把注意力集中在正确的能源值上即可。
然而,对希格斯玻色子的探索则要复杂得多,且充满不确定性。
首先,它不一定存在。
标准模型需要一些机制来打破弱相互作用和电磁相互作用之间的对称性,但这个机制不一定是布劳特、恩格勒和希格斯所描述的。
其他物理学家也提出了不同的模型,当然没有那么优雅,但这也不是自然界第一次选择与我们想象的不同的路径。
其次,即使掌握了这个非常重要的机制,理论上也没有什么能阻止希格斯玻色子像电子一样轻,或者比大质量的W和Z玻色子重10倍。
探索它的可能性范围是巨大的。
如果希格斯粒子是轻粒子,它的间接效应就应该在许多探索过程中已被发现,而不必建造大型加速器来产生它。
另外,如果它质量很大,除了建造一个足够强大的加速器,没有其他捷径。
追寻悄悄地开启了,但事情从一场错误的警报开始有了疯狂的节奏。
1984年的夏天,在我们发现W和Z玻色子的几个月之后,在德国汉堡附近的Desy实验室,正负电子对撞机DORIS最近刚进行了升级。
从最初的几个月开始,探测器开始记录一些非常奇怪的东西。
在8.33GeV左右,一些非常特殊的状态正在发酵,典型的“中性和不稳定的东西”
以一种无法解释的频率衰减。
令人兴奋的是,这是一个明确的信号:一切都表明希格斯玻色子已经出现了。
这一发现在最负盛名的场合宣布,即在德国莱比锡举行的高能物理国际会议上。
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