科学家是怎么确定希格斯粒子的？，地下700米粒子捕手

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科学家是怎么确定希格斯粒子的？

科学家是怎么确定希格斯粒子的？

其实关于这个问题，无非就是分两步来完成的，首先是科学家的理论预测，然后是通过实验找到相关证据。

预测

那说起希格斯玻色子，我们就要先给希格斯玻色子定一个位置，它在什么理论当中，有什么用处。这要从上世纪的物理学发展说起，当时科学家发现了很多粒子，林林总总加起来得有100多号。这时候，他们就想如何利用理论把这些粒子的关系搞清楚。

那这个问题该如何去思考呢？其实，人类很早就有这方面的意识，那就是构成物质的应该是不可再分的基本粒子，但是要你要让粒子们老老实实地待在一起，就需要相互作用。科学家发现，在宇宙中存在四种相互作用，引力，电磁力，强相互作用，弱相互作用。

科学家先是通过狭义相对论和量子力学构建了量子场论。然后基于规范场论，如果满足对称性的要求，就得引入了传递基本作用的规范玻色子。比如：传递电磁力的规范玻色子就是光子。但是强相互作用，弱相互作用还有引力其实是没有着落的。当然，我们也知道，后来引力一直没办法纳入到整个个体系中。

杨振宁和米尔斯在1954年的时候，就从麦克斯韦方程方程入手，试图把理论延伸到强相互作用和弱相互作用。但是，这时候就出现了一个问题，如果按照理论框架走，传递强相互作用和弱相互作用的玻色子就会出现质量为零的情况。

为了能够解决这个问题，多位学者开始着手研究这个问题，他们要做的是要让基本粒子有质量，同时还不能和规范场理论相互冲突。许多科学家都给出了解决方案，而由希格斯等人分别独立特出的希格斯机制被广泛接受，并且他们预言了希格斯玻色子(假设希子质量为126GeV）的存在，是希格斯场让基本粒子减速，并且获得质量。

但是理论到底对不对，还是要依靠着实验来证明的。在希格斯机制中，希格斯场是广泛分布于整个宇宙空间的，无处不在。而希格斯玻色子其实就是希格斯场的涟漪，就有点像引力波之于引力场的感觉。

实验

那也要如何找到希格斯玻色子呢？

说白了还是要用到大型粒子对撞机，这个实验的原理其实是两个粒子束加速到极其高的能量状态，然后让它们在粒子探测器当中相互碰撞，用这样的办法就有可能生成希格斯玻色子。

根据理论，希格斯玻色子的寿命其实极其短（我们其实管这个叫做半衰期），它会在极短的时间内（平均寿命1.56×10^−22 s）发生衰变，但由于整个过程是在太快了，所以，探测器一般只能记录下所有的衰变产物。科学家通过实验数据去重建整个衰变的全过程，如果结果是符合希格斯玻色子的衰变理论，那就有可能是找到了。

听起来好像很容易，实际上这个是特别难的事情，或者说是概率极其低的事情，大概只有百亿分之一。也就是说，做这个实验的科学家要搜集几百亿个碰撞时间的数据，然后进行分析。只有那些符合理论的才有可能是希格斯玻色子的衰变事件。其实这也就意味着需要处理数据能力超强的电脑。

一开始有一些顶级的实验室加入了寻找希格斯玻色子的实验中来，但是都失败了。为了能够找到希格斯玻色子，科学家建造了一台性能更加强劲的对撞机，并且还配备了一台超高性能的计算机。完成这个实验的是欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，简称：LHC。

在2010年，两个探测器都检测到了异常的数据。ATLAS在范围为125-126GeV探测到了质量超额的事件，CMS在范围为124GeV探测到了质量超额的事件，经过两年的反复检验，科学家确认找到了希格斯玻色子。（而之前我们也说到过，理论预测希格斯玻色子的质量是126GeV）

于是，LHC在2012年6月，对外正式宣布找到了希格斯玻色子。

随后，提出希格斯机制相关的两位科学家恩格勒和希格斯获得诺贝尔物理学奖，这个颁奖速度在诺奖历史上都是极为罕见的，足以见得预言并找到希格斯玻色子的重要性。

而希格斯玻色子实际上还被人戏称为：上帝粒子。它是粒子物理标准模型的最后一块拼图，

正是它的存在，使得粒子们可以获得质量，当然也有例外，传递电磁相互作用的光子和束缚夸克的胶子实际上是不和希格斯场发生作用的，所以它们的静止质量是0。而夸克和各类轻子的质量都是来自于希格斯场。

关于标准模型中的粒子，最多的问题就是有关希格斯玻色子的，而希格斯玻色子更是被称为上帝粒子，因为在当时希格斯粒子被认为是标准模型中缺失的一块，如果没有找到整个标准模型将会崩塌。

我们就借题主的问题回答以下几个问题：标准模型中的粒子都有哪些？有什么作用？希格斯粒子是怎样被发现的？标准模型目前还存在什么问题？

上图中都是组成已知物质不同类型的粒子，下面我将对这些粒子做一个基本的介绍。这些粒子可以分为四种不同的类型：

夸克:在左上角，夸克是微小的亚原子粒子。它们负责构成质子、中子和宇宙中所有元素的原子核。我们还在粒子加速器和宇宙射线的帮助下发现，发现了一些奇怪的粒子（比如：介子和超子）。六个夸克中每一个都有三种不同的颜色(红、白、蓝)，两种不同的自旋(+½-½)，以及物质和反物质两种类型，,总共72种可能的状态。事实上，我们所知宇宙中的大部分物质都是由夸克构成的。(但不包括暗物质。)
轻子：在右下角，轻子比夸克轻得多。电子是最著名也是我们最熟悉的轻子，它负责电磁力，并把质子、中子和原子核变成原子。六个轻子都可以以物质和反物质的形式存在，但是电子、μ介子,和τ介子可以有两种不同自旋(+½和-½)，下面三个中微子没有选择，“物质”中微子都是自旋-½和“反物质”中微子的都是自旋+½。轻子都有质量，包括不应该有质量的中微子(表明有一些超出标准模型的东西还没有被发现)，总共有15种不同类型的轻子。
规范玻色子（力的载体）:上图右边，这些粒子负责夸克和轻子之间的力。最熟悉的就是光子负责传递电磁力。不过，光子没有物质和反物质之分，因为光子就是它自己的反粒子，它唯一的两种状态来自不同的自旋(+1和-1；0是禁止的，因为光子没有质量)。W玻色子(带+和-电，自旋为+1，0和-1)和Z波色子(中性，自旋为+1，0和-1)，这些粒子负责传递弱相互作用力和放射性衰变。还有胶子，一种无质量的“胶水”，它是产生强大核力的原因。胶子负责把质子、中子结合在一起形成原子核。胶子也有两种不同的自旋(+1和-1)，八种不同的颜色组合，没有电荷。总的来说，这意味着传递力的载体有27种不同的状态，目前除了引力以外，已发现的载体粒子能确定和解释三种自然力。
希格斯玻色子:没有这个标量玻色子，标准模型就没有意义。2012年7月4号，科学家宣布在LHC中发现了这种粒子。希格斯玻色字的发现标志着描述三种自然力和所有粒子的标准模型理论初步确立！希格斯玻色子会与夸克、带电的轻子和弱力载子相互作用，赋予它们质量，但不与光子或胶子相互作用，所以它们没有质量。

这些粒子生活在标准模型的动物园里。

当人们发现了夸克、轻子和力的传递粒子，而且这些粒子都经过了极其严格的测试。最后一个谜题就是：这些粒子的质量从何而来?

当时根据理论，希格斯玻色子应该与夸克、轻子、W和Z成双成对，并赋予它们质量，但与光子或胶子无关。理论上，希格斯玻色子也和自己配对，也就是说，它本身有质量。

质量是多少?一开始我们并不确定。但是，根据标准模型，我们可以限制它的质量。

在大型强子对撞机之前，我们还有LEP，它和现在的大型强子对撞机使用的27公里长的地下隧道是一样的。只不过，LEP碰撞的不是质子，而是电子和正电子。当时根据LEP的测量，如果希格斯粒子的质量低于114Gev/c²，那么LEP就会被发现希格斯粒子，但是并没有，所以我们可以确信，如果希格斯粒子存在，它会比这个更重。(顺便说一下，GeV是能量的单位。相比之下，质子的静质能略小于1Gev/c²，更准确地说是0.938 Gev/c²）。

对电磁和弱相互作用的精确测量告诉我们，如果标准模型是有效的，希格斯粒子也不会太重。当时从世界各地多个对撞机的极限来看，希格斯玻色子的质量必须小于186 GeV/c²。所以我们能找到希格斯粒子的范围很窄。

2010年的7月，Tevatron(伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的巨型加速器)排除了部分质量范围！得到的结果是：如果希格斯粒子存在，它要么比158Gev/c²轻，要么比175Gev/c²重。

当时人们认为大型强子对撞机(LHC)位于法国和瑞士边境的巨型对撞机，应该能够找到这个拯救标准模型的粒子，

虽然关于希格斯粒子在理论上大多都是猜测猜测，但大多数人都认为希格斯玻色子会被发现。并且当时理论粒子物理学家都预计，当这种被发现时，它的质量将在140 GeV/c²左右，当时人们猜测主要集中在以下三点：

也许希格斯粒子，标准模型中唯一的基本标量(无自旋)粒子，是被禁止的？毕竟，我们以前从来没有观察到过一个基本的标量粒子，大多都是复合标量粒子。（最后事实证明希格斯玻色子确实是标准模型中唯一一个基本标量粒子）
也许标准模型中的“粒子”根本不是基本粒子！虽然存在夸克禁闭之类的限制，但确实也是可能继续再分的。
也许（很疯狂的想法），我们对质量的起源和物质本质的理解存在我们还不知道的错误。