And Man Created the God Particle

您肯定已經看過 2012 年的重大科學新聞：希格斯玻色子（又名上帝粒子）被發現。萬歲！好哇！

然而，除非你是理論物理學家，否則你可能會問：“希格斯玻色子是什麼？” – 對於本週之前聽說過玻色子的人？但多虧了玻色子，您才能閱讀本專欄：光子從文本流入您的眼睛。如果沒有希格斯玻色子及其相關場，你今天就不會在這裡，相反，宇宙將是一個粒子以光速運動的地方。

無論如何，這就是物理學家普遍相信的。希格斯場和玻色子是物理學標準模型的關鍵組成部分，它在解釋和預測物質在日常和微小尺度上的行為方面做得非常出色。該模型包括量子力學，這是一種極其奇怪的理論，就連偉大的物理學家理查德·費曼也說：“我認為可以肯定地說沒有人理解量子力學......沒有人知道事情怎麼會這樣。”

標準模型的某些部分相對簡單。物質包括費米子，例如構成原子的質子、中子和電子。同一時間只能有其中之一出現在同一個地方，因此您無法穿牆而過。夸克是質子和中子的組成部分，也是費米子，它們非常奇怪，具有無人能嚐到的“味道”和永遠看不見的“顏色”等屬性。它們以那本令人費解的小說中一隻試圖點“三夸克”啤酒的醉酒海鷗命名 芬尼根守靈夜。

然後，還有帶有力的玻色子。光子是我們最熟悉的，它是電磁學的信使。另一種夸克“粘合”在一起，另外兩種夸克攜帶影響亞原子相互作用的弱力。

然而這些力無法解釋四種已知玻色子和各種粒子的質量，而這些質量反過來又導致物質形成像你、我和星系這樣的結構。 20 世紀 60 年代初，包括彼得·希格斯 (Peter Higgs) 在內的六位物理學家提出，質量是由一個作用類似於宇宙膠體的場產生的，並且與玻色子有關。發現這種玻色子的探索開始了。儘管它對理論至關重要，但事實證明它難以捉摸，因此出現了一本名為《 上帝粒子.

發現它們不是探測現有的上帝粒子，而是首先創造玻色子，然後觀察它們迅速衰變成的粒子。這意味著在粒子加速器中釋放出驚人的能量。

加速器的歷史可以追溯到 1932 年，當時約翰·科克羅夫特 (John Cockcroft) 和歐內斯特·沃爾頓 (Ernest Walton) 在英國劍橋首次“分裂原子”。他們的加速器是線性的，但在北美，歐內斯特·勞倫斯正在開發圓形版本，稱為迴旋加速器，它利用磁場使質子在擊中目標之前越來越快地旋轉。他的原型只有 5 英寸（13 厘米）寬，隨後又推出了直徑高達 184 英寸（467 厘米）的版本，後者配備了 4000 噸重的磁鐵。

對於創造希格斯玻色子來說，這樣的加速器太微不足道了。這意味著要建造世界上最大的機器：位於日內瓦歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機。它的威力如此之大，以至於有些人甚至擔心它會產生一個吞噬地球的迷你黑洞。

對撞機建在地下100m處，周長27公里。世界上最大的製冷系統將中心部分冷卻至深空溫度以下。強大的磁鐵通過超高真空將質子加速，速度達到光速的 99.99999999%。

進入碰撞區時，每個質子的能量比飛蚊子的能量略多。這聽起來可能不多，但能量高度集中，每秒發生超過 1 億次碰撞。為了最大限度地提高碰撞能量，對撞機有兩個質子束，每個質子束的總能量相當於高速列車。它們迎面而來，緊緊地沿著一條小於人類頭髮寬度的路徑前進。

兩個五層樓高的探測器參與了對希格斯玻色子的搜尋，儘管該對撞機在 2010 年春季才投入運行，但兩者都記錄了數万億次碰撞。數據分析顯示，其中幾十個粒子產生了一種全新的粒子，其範圍與希格斯玻色子的預測範圍相同。它的重量約為氫原子的125倍。

儘管歐洲核子研究中心的兩個團隊的領導人在周三公佈結果後掌聲雷動，但他們警告說，需要做更多的工作才能完全確認該粒子確實是希格斯玻色子。但他們確信情況確實如此；現年 84 歲的彼得·希格斯 (Peter Higgs) 也是如此，他說道：“我從沒想過這種事會發生在我的 壽命。”

現在正在進行的工作包括檢查玻色子的行為是否符合預期，或者與物理標準模型相矛盾。對撞機還有其他任務。物理學家將尋找已知粒子的重夥伴的證據，這是由超對稱性這一宏大理論所預測的：這可能有助於解釋我們只能看到宇宙中 4% 物質的事實。他們還將嘗試回答為什麼物質比反物質更豐富，並尋找類似於被認為在大爆炸後不久就存在的“夸克-膠子等離子體”；這可能是在太陽中心溫度十萬倍的情況下產生的。

雖然我們中的許多人可能會驚嘆於如此奇妙的抱負和成就——也許還會因為屬於我們所知道的宇宙中最聰明的物種而感到一絲自豪——但我們也應該記住，科學也對我們的生命敲響了警鐘。生活方式，特別是當我們將全球恆溫器調得越來越高時。科學支撐著進步，但也警告需要減少溫室氣體排放，努力控制人口。如果我們留意這些警告，也許有一天，深入量子領域將幫助我們的後代到達星星。