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欧美研究者展开激烈竞争 全力寻找“上帝粒子”

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:27

    欧美研究者展开激烈竞争 全力寻找“上帝粒子”

    图:空中鸟瞰美国费米国家实验室

    据《连线》9月9日报道,如今,美国费米国家实验室(Fermilab)的Tevatron 加速器以及欧洲粒子物理研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)都在全力寻找希格斯玻色子(Higgs boson)。希格斯玻色子被认为是物质的质量之源,1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼将其称为“上帝粒子”。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子,目前已成为整个粒子物理学界研究的焦点。发现希格斯玻色子或许有助于解释物质为什么拥有质量。理论物理学家已经预言这种粒子一定存在,但是目前并没得到证实。这个粒子是现代物理学的核心模型,它的存在与否,关系着现有的宇宙理论能否站得住脚,因而两家研究机构之间展开了激烈竞争,试图在证明该粒子的存在上取得先机。

    欧洲粒子物理研究所甚至在20世纪80年代刚刚构思建立大型强子对撞机时,就把证实“上帝粒子”的存在作为它的奋斗目标,而美国费米国家实验室也不甘落后,试图后来居上。德州大学奥斯汀分校物理学家罗伊·舒维特(Roy Schwitters)就表示:“同欧洲粒子物理研究中心展开竞争是值得的,大型强子对撞机虽然有机会找到希格斯玻色子,但把握也不是很大。”

    事实上,在粒子物理学领域,美国同欧洲一直有互相竞争的历史,这不仅关系到美国和欧洲的科学权威性,也关系到他们的国家荣誉。如果美国科学家成功发现希格斯玻色子,他们就会为其在近代科学领域所取得的主要成就上画上一个完美的句号。如果他们未能在欧洲科学家之前发现希格斯玻色子,就标志着美国科学家在把握机会方面又一次受到打击。

    70年来,美国和欧洲在粒子物理领域一直交替领先。美国科学家拥有的Tevatron加速器尽管年代久远,但它能够产生1兆电子伏特(1 TeV)能量的质子束,仍然是目前全球输出能量最高的加速器,并且该加速器近期表现良好。不过,从目前情况来看,科学家们还未发现希格斯玻色子存在的迹象,这也许会为Tevatron加速器的运转带来更大压力。

    欧洲大型强子对撞机早在2008年开始运转的时候,物理学家就估计,它会在2009年年底发现是否存在希格斯玻色子这一粒子。如果大型强子对撞机有所发现,这将会是其首次有重大发现。但在2008年7月及9月份,大型强子对撞机接连出现故障,使得科学家不得不把对撞机运转时间调整到11月份。此外,重新调整后,该对撞机运转速度也比之前预测的要慢,因此,要想达到事先预测的7兆电子伏特(7 TeV)的高能量,所需时间会更长。

    欧洲大型强子对撞机的表现不济,使得美国Tevatron加速器有更多时间来发现希格斯玻色子。据估计,欧洲大型强子对撞机的故障可能使这项加速器试验被迫中止12个月的时间。而Tevatron加速器运转情况相比之下却表现更好,每秒粒子碰撞次数更多,加速情况也非常良好。虽然Tevatron加速器已是一部老旧加速器,但如果美国科学家不放弃,他们也有机会成功。

    尽管Tevatron加速器年代久远,但它仍是对撞机领域的王者。目前,Tevatron加速器被置放于芝加哥郊区费米国家实验室一个周长4英里的地下隧道内。该实验室D-Zero探测器小组的物理学家德米特里·德尼索夫(Dmitri Denisov)对于Tevatron加速器最终能够发现希格斯玻色子充满信心。他表示:“目前,实验室里的工作人员都在想法确定希格斯玻色子的质量范围,尽管这项工程非常艰难,我们相信最终我们会成功。”

    目前,费米国家实验室的另一个CDF探测器小组,也在同D-Zero探测器小组展开竞争。双方都试图发现新的粒子,并且确定这些粒子的特征。同时,这两组科学家也互相共享成功经验,相互确认对方的发现是否正确。这种工作方式使得科学家们有更高几率来发现希格斯玻色子。

    基于目前Tevatron加速器以及其它加速器所做的工作,科学家推断希格斯玻色子的质量在114至185 GeV之间。今年3月份,费米国家实验室通过实验进一步压缩了希格斯玻色子的质量区间,称质量不会在160至170 GeV这段区间内。

    德尼索夫表示:“如果希格斯玻色子的质量不是我们事先设想的那样,或者它的质量更大,哪怕有理论来预测希格斯玻色子的质量会比我们预测的更大,那么要想发现它可能要另辟蹊径了。但是,如果它的质量真的只是在200 GeV,或者是180、190GeV左右,我们就能够将其排除,或者成功发现希格斯玻色子。目前,我们就正在进行这项工作。”

    即便最终是欧洲粒子物理研究中心先拔头筹,发现了希格斯玻色子,对于费米国家实验室的科学家们来说,他们也受益匪浅。德尼索夫认为:“即使未能抢得先机,至少科学家们找到了研究方法,为以后科学发现打下了基础。”

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