具备更高能量的LHC将于2015年投入使用

LHC的CMS探测器图像来源:欧洲核子研究中心

如果一个粒子看起来非常像希格斯粒子，并且具有相似的性质，那么它可能就是标准的希格斯玻色子。这是欧洲核研究委员会(CERN)利用大型强子碰撞加速设施(LHC)获得的最新研究结果。物理学家一直试图描述2012年发现的希格斯玻色子。到目前为止，每一次测试都证实了这个新发现的粒子与标准粒子物理模型描述的希格斯玻色子非常一致。希格斯粒子理论是由罗伯特·布鲁特、弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯于1964年首次提出的。除了布鲁特在2011年去世和失去获奖资格之外，另外两人在2013年获得了诺贝尔奖。

事实上，科学家们一直在急切地寻找这一理论的偏差，因为它可能把物理学带到一个新的阶段。例如，如果希格斯玻色子衰变的速度与模型预期的速度略有不同，那么这就意味着衰变过程中涉及到另一个全新的未知粒子。然而，最新的研究结果没有发现任何未知粒子参与衰变过程的证据。

在下一阶段，能量更高的LHC将于2015年初投入使用，为科学家提供更多的研究机会。通过LHC，科学家也许能够建立新的物理理论来更全面地解释整个宇宙。保罗·帕德利是莱斯大学的物理学家，他负责LHC的小型μ子线圈实验，他说:“希格斯玻色子的发现不是终结，而是新研究的开始。我们未来10年的工作是详细研究希格斯玻色子。”

当物理学家第一次开始用LHC研究希格斯粒子时，他们主要是通过它衰变为其他玻色子来识别它。希格斯粒子可以衰变为规范玻色子，规范玻色子是携带能量的粒子，例如携带电磁力的光子；希格斯粒子也可以衰变为携带弱力的W玻色子和Z玻色子。现在，芝加哥商品交易所的研究人员在《自然-物理》杂志上报道，他们发现了希格斯粒子衰变为费米粒子的证据，费米粒子是一类粒子，比如电子和夸克，原子就是由它们组成的。尽管标准模型预测希格斯粒子会衰变为费米子，但它事先并没有做出明确的结论。

科学家认为希格斯玻色子与整个宇宙中看不见的希格斯场有关。粒子在希格斯场中运动，并与希格斯场相互作用以获得质量。最初发现的希格斯粒子可以衰变为其他类型的玻色子，这证明希格斯场可以与玻色子相互作用。现在，最新的研究证明希格斯场也能与费米子相互作用。这一发现证明了一个科学假设，即科学家可以用一个单一的标准希格斯玻色子模型来解释所有粒子如何获得质量。然而，有一些假设认为不仅有一个希格斯玻色子，也不是只有一个希格斯场。每个希格斯玻色子和希格斯场与一些特定的粒子相互作用，产生粒子质量。

匹兹堡大学理论物理学家Ayres Freitas说:“最新的发现并不排除其他希格斯玻色子的可能性，但它有力地证明了标准模型需要调整。此外，也有可能在整个宇宙中只有两个希格斯玻色子，而且在大多数情况下，它们“一起工作”以产生粒子质量

LHC研究的下一阶段将为物理学家提供更多的数据，他们也许能够证明或排除多重希格斯玻色子的可能性。目前，物理学家不确定希格斯玻色子衰变为费米子的速度有多快。此外，他们对希格斯场与费米相互作用的强度知之甚少。弗雷塔斯说:“这种相互作用的强度可能与标准模型预测的不同，这种偏差可能是第二个希格斯玻色子存在的线索。”如果其他种类的希格斯玻色子确实存在，高能LHC也许能够描述它们。

当LHC第一次投入使用时，它能输出的最大能量是8ev。升级后，它能输出的最大能量可以达到13兆电子伏——由于超导磁体技术的改进，加速器的长度达到了27千米，并在地下形成了一个圆圈。更强的磁场促使质子以更快的速度进入加速器环，确保它们碰撞和爆炸时有更强的磁力。升级后的LHC还将更紧密地束缚这些碰撞的质子，使光束更密集，这在物理学上被称为“更亮”。这将使质子碰撞更加激烈。总而言之，物理学家希望下一阶段LHC转换的希格斯玻色子数量将是升级前的300倍。

弗雷塔斯说:“更高的转换率意味着物理学家可以更精确地测量希格斯玻色子的性质。例如，新的研究数据可以揭示希格斯场与各种粒子(如玻色子和费米子)相互作用的强度，其速度可能是最初预期的两倍甚至三倍。升级后的LHC为我们提供了一个发现我们无法发现的东西的机会，但我们对这些未知事物的性质一无所知。”

标准模型不包括粒子的超对称性。该理论认为，这是每个已知粒子的基本特征，也就是说，每个费米子都应该有一个与之对应的玻色子。一旦这个理论建立起来，它将为物理学开辟一个新的领域。到目前为止，还没有研究证实这种超对称的存在，但是升级的LHC本身可以创造出这种超对称粒子。即使LHC没有做到这一点，它也能以微妙的方式证明这种本性的存在。例如，当希格斯玻色子衰变为各种粒子时，这些对称粒子可能以量子“幻影”的形式出现——有时出现，有时消失。如果科学家能够更精确地测量希格斯玻色子的衰变率，他们将更有可能证实这种超对称性的存在。

帕德利说:“一些科学研究的真正意义不在于一些非常重要的新发现，而在于纠正那些我们最初有认知偏见的想法。”

标准模型也没有考虑暗物质的存在。科学家认为暗物质是一种不与普通粒子相互作用的无形粒子，但暗物质是整个宇宙质量的最大组成部分。伊利诺伊大学的理查德·卡瓦诺和费米国家加速器实验室的CMS研究员说:“希格斯玻色子与其他粒子相互作用，产生后者的质量，所以希格斯玻色子可能与暗物质粒子相互作用。”如果希格斯粒子真的能衰变为暗物质粒子，它们将会离开LHC而不被研究人员所知。尽管研究人员无法直接探测到它们，但暗物质粒子的分离会反映在剩余粒子的减少上，这可以从侧面证明暗物质粒子的存在。

归根结底，没有人知道LHC会带来什么，但是科学家们非常期待各种未知的可能性。卡瓦诺说:“此刻，成为一名物理学家真的很棒。每天早上一想到我的工作，我就会笑着醒来。”(段鑫)

中国科学新闻(2014-07-09第三版国际版)

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