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探索微观世界的无穷奥秘(科技大观)

2022-08-16 08:58 陈缮真 来源:人民日报 责任编辑:孙紫腾

近日,欧洲核子研究中心宣布,大型强子对撞机上的“底夸克实验”与“紧凑缪子线圈实验”分别发现了4种和1种新的复合粒子。至此,在大型强子对撞机上探测到的复合粒子数量已达到67个。今年正值“上帝粒子”——希格斯玻色子发现10周年。这些新粒子的发现不断丰富着人们对微观世界的理解和探索。

构成宇宙万物的最基本单元是什么?随着科学研究不断向微观世界推进,跨越细胞、分子、原子和原子核之后,那些更基本、更小、更难捕捉的“粒子”站在了最前沿,并于上世纪中叶催生了粒子物理学。这门学科迄今最具标志性意义的成果,当数希格斯玻色子的发现。

这一发现为何如此重要?这要先从粒子物理学的“标准模型”谈起。“标准模型”是指描述基本微观粒子性质和彼此间相互作用的理论,是粒子物理学的根基。在早期理论中,一些粒子被认为是不带有质量的,因此它们理应能将一些相互作用力传播至无限远。然而,实验中却观测到这些相互作用力传播距离有限,这就表明上述粒子确实是有质量的。

这些粒子的质量又源自哪里?为了解答这一问题,上世纪60年代,以恩格勒和希格斯为代表的科学家提出一种新的机制,即宇宙空间中应存在一种叫做“场”的物质形态,能够赋予其他粒子质量。“场”自身的能量会激发产生出一种粒子,这就是希格斯玻色子。随后几十年,一套包含希格斯机制的粒子物理学标准模型理论逐渐形成。不过,模型的一个核心预言——希格斯玻色子在被提出后的48年间都未显露踪迹。

直到2012年7月,在全球最大和能量最高的粒子对撞机——欧洲大型强子对撞机上,两个实验合作组共同宣布发现了希格斯玻色子。自此,标准模型补全了最后一块丢失的“拼图”,一切基于希格斯机制与标准模型的理论都可以大胆地前进一步,相关实验也可以提出更精细的要求。恩格勒和希格斯也因此获得了2013年诺贝尔物理学奖。

标准模型虽然取得成功,但其中的大量细节依然令人费解:希格斯粒子是如何与其他粒子产生相互作用的?反物质和普通物质之间在行为上有什么差别?……这些问题的答案与宇宙的起源、演化等息息相关。物理学家们十分清楚,目前的标准模型并不完善,已有很多实验观测结果与标准模型的预测相冲突。所以,未来需要有超出标准模型的新理论予以解释,更需要精准的实验设施加以验证。

对未知的好奇是人类的天性,也是推动科学发展最本真的动力。前沿基础科学,也往往会对人类社会产生深远的革命性影响。为满足基础科学研究所需实验条件而衍生、发展出来的新技术,会广泛运用到民生领域。因此,粒子物理学的实验研究在世界范围内受到重视。不久前,大型强子对撞机在完成3年多的升级维护后重新启动。不少科技大国也在规划下一代性能更强的对撞机。相信在全球科学家的共同努力下,人类对微观世界的认知边界将会不断拓展。

(作者为中科院高能物理研究所特聘青年研究员)  

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