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『希格斯波色子』希格斯玻色子英文?

话说两人走进一家酒吧,准确的说是一家冰激凌吧。其中一位在欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)工作的物理学家戴夫,另一位则是一个歌手,蓝调歌手史蒂文。两人坐在了一起。

史蒂文:嗨! 戴夫,你好!

戴夫:史蒂文,好久不见!

史蒂文点了一杯加了两勺杏仁的巧克力冰激凌,戴夫点了一杯香草奶昔。

史蒂文:前两天我在电视上看到关于大型强子对撞机的报道了,听说你们用探测器发现了傻大个(bozo)?

戴夫:嗯...不是‘傻大个’,我们发现的是玻色子(boson),甚至可能是希格斯玻色子 (Higgs boson)。

史蒂文:那是什么?

戴夫:是一种粒子。

史蒂文:你们不是一直在发现粒子么?

戴夫:话是这么说,但这次的发现可能足以表示希格斯场是真实存在的!

史蒂文:场?什么场?

戴夫:希格斯场!一个以彼得·希格斯以及其他对此理论做出贡献的科学家命名的场。虽然叫‘场’,但你可没法用来晒谷子。希格斯场是一个假设存在的、无形的力场,它存在于宇宙中的各个角落。

英国物理学家彼得•希格斯 2013年与弗朗索瓦·恩格勒共同获授诺贝尔物理学奖

史蒂文: 好吧。可如果它遍布整个宇宙,为什么我从来没见过?这可是有点奇怪。

戴夫:其实也没什么好奇怪的。想想空气,我们既看不到也闻不着,当然个别地方除外,不过通过尖端仪器--比如我们的身体—就可以检测到它的存在。“不可见”仅仅是我们在证明事物存在过程中的一个小小挑战。

史蒂文: 原来如此,接着说!

戴夫:所以我们认为这种‘希格斯场’就在我们身边,并且遍布整个宇宙。希格斯场的特殊之处就在于它为基本粒子提供质量。

史蒂文:基本粒子又是什么?

戴夫:所谓基本粒子就是宇宙最基础的组成结构,其内部不可继续分割。

史蒂文: 我还以为你说的是原子。

戴夫:其实原子是由更小的粒子构成的,分别是质子、中子和电子。电子是基本粒子,而中子和质子而是由另一种基本粒子夸克构成的。

史蒂文:感觉像是俄罗斯套娃一样,什么时候是个头儿啊?

戴夫:说实话,我们也不知道。我们把现在所了解的概括成标准模型,标准模型中有两种基本粒子--构成物质的费米子、传递作用力的玻色子。这些粒子可以按照一定的性质排序,比如它们的质量。我们可以得出它们的质量,却不知道质量从何而来,也不知道它们为何会有质量。

图解:物理学的标准模型所涵盖的基本粒子 前三列是费米子,上下又可分为夸克和轻子。第四列是规范玻色子,第五列则是希格斯玻色子。(图片源于:维基百科)

史蒂文:那希格斯场为什么可以解释质量呢?

戴夫:当一个粒子穿过希格斯场时,会与场相互作用从而获得质量。相互作用越频繁,获得的质量就越大。

史蒂文:我有点懂了。但这发现很重要么?如果没有希格斯场又会怎么样?

戴夫:如果希格斯场不存在,那整个宇宙就都不复存在了。那样就没有星星、没有其它星球、没有大气,什么都没有了,甚至连你的冰激凌和手里拿着的勺子都没有啦。

史蒂文:哎呀!那太糟糕了。不过希格斯玻色子又是干什么的呢?

戴夫:这么说吧,你看到我奶昔里的樱桃了吗?

史蒂文开玩笑说:你是要给我吗?

戴夫:别激动!我就是拿它打个比方。

史蒂文抢着说: 你的意思是樱桃就相当于希格斯玻色子?

戴夫:也不尽然。我们把奶昔看成希格斯场,樱桃则是在希格斯场中穿行的粒子,而奶昔给了樱桃质量。

史蒂文: 我懂了!所以奶昔里的分子就好比希格斯玻色子。

戴夫:差不多,希格斯场中要产生希格斯玻色子是需要激发作用的。举个例子:比如我把樱桃扔进奶昔里,你可以把这想象成向场中施加能量。

史蒂文:哦,那落在吧台上的几滴奶昔就是希格斯玻色子咯?

戴夫:你的认知越来越接近了,应该说溅起的水花才是希格斯玻色子。

史蒂文:不会吧!

戴夫:量子力学的理论就是这么指导我们的,实际上所有粒子都是从场中激发得到。

史蒂文:好吧!我有点明白你为什么喜欢粒子物理了。听上去的确挺炫,玄中带炫!

戴夫:说玄也没错,的确和日常生活离得有些远。希格斯玻色子是希格斯场的一种激发态,所以我们通过发现希格斯玻色子就可以证明了希格斯场的存在。

史蒂文:你们探测到玻色子证明了希格斯场的存在,现在应该大功告成了吧。粒子物理还有什么未解之谜?

戴夫:其实,我们这才刚刚上路。这就和当初哥伦布以为自己发现了印度新航线差不多,他确实有新发现,但并不是他想要的。所以第一步,我们需要证明我们发现的就是希格斯玻色子。表面看没什么问题,不过我们需要进一步观测其性质以最终确定。

史蒂文:怎么观测?

戴夫:这需要更多数据。新发现的粒子只能稳定存在极短时间,它会迅速分解、衰变成为更稳定、质量更小的粒子,通过观测这些更小的粒子我们就可以了解玻色子的性质了。

图解:在大型强子对撞机观测到的因质子碰撞而产生的希格斯玻色子候选事件 超环面仪器:两者最终都衰变成轻子,剩下两个电子(绿色)和四个μ子(红色)。紧凑μ子线圈:希格斯衰变为两个迷人的夸克,形成射流(锥);Z衰减为电子(绿色) (图片源于:超环面仪器 /紧凑μ子线圈/ 欧洲核子研究组织)

史蒂文:那你们需要观测什么?

戴夫:标准模型预测了希格斯玻色子衰变为更轻、更小粒子的频率与方式。我们要观测粒子的这些性质是否符合标准模型或者其他理论模型。

史蒂文:如果所有模型都不符合呢?

戴夫:那就更有意思了!科学只有这样才能进步,如果有新模型能对观测结果做出更好的解释,那我们就会用其替代现有模型。

史蒂文:嗯!所以发现希格斯玻色子奠定了下一步探索的基础,就好像哥伦布向西进发。

戴夫:正是如此,发现粒子仅仅是迈出了第一步!

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Jiayu LIN- Jenny Yang

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