一、基本粒子定義的變化
基本粒子指人們認知的構成物質的最小、最基本的單位,隨著物理學的不斷發展,人類對物質構成認知的逐漸深入,基本粒子的定義也有所變化,傳統上(20世紀前、中期)的基本粒子指質子、中子、電子、光子和各種介子,這是當時人類所能探測到的最小粒子,而現代物理學發現質子、中子、介子都是由更加基本的夸克和膠子構成,同時還發現了性質和電子類似的一系列輕子,還有性質和光子、膠子類似的一系列規范玻色子,這些是現代的物理學所理解的基本粒子,所以目前在粒子物理學中,標準模型理論認為的基本粒子可以分為夸克、輕子、規范玻色子和希格斯粒子四大類,標準模型理論之外也有理論認為可能存在質量非常大的超粒子,
二、幾種新粒子
1、新的重基本粒子:J粒子
第一位在諾貝爾獎頒獎典禮上用中文發表演講的美籍華裔物理學家丁肇中,作為實驗物理學家,1974年他發現了J粒子,這個發現,被國際高能物理學界譽為物理發展史上一個重要的里程碑。
雖然人們還在不斷地發現新的基本粒子,然而,丁肇中發現的粒子十分獨特,它不帶電,而且壽命比近些年來相繼發現的新粒子長1000倍——盡管在常人看來它也極其-“短命”,只能存在10-20s,這是一種新的重光子,丁肇中把它命名為“J粒子”。
這個發現震驚了美國科學界,在物理學界掀起了軒然大波。使實驗物理學家和理論物理學家都大為驚異,美國麻省理工學院院長杰米韋森說:“丁肇中教授的研究,為人類開拓了宇宙未知的領域,使基本粒子物理邁進了一個新的境界,”美國總統福特還寫信給丁肇中,對他的卓越成就表示祝賀,
2、歐米加b重子
2008年9月10日美國費米國家加速器實驗室的物理學家在最新的對撞實驗中發現一種新型粒子——歐米加b重子,這是迄今為止物理學界發現的質量最大的重子。
在對撞實驗分析中作出主要貢獻的華人科學家錢劍明在接受新華社記者采訪時說,對撞實驗發現的新型粒子,與常見的由第一類夸克(上、下夸克)組成的質子和中子不同,它是由2個奇異夸克和1個底夸克組成,這是物理學界首次發現由后兩類夸克混合組成的重子,令他們感到十分驚奇。
早年畢業于中國科技大學的錢劍明現任教于密歇根大學物理系,他和來自全球90多個科研機構的600多名物理學家共同參與了費米實驗室的粒子加速器實驗,實驗過程中,質子和反質子以接近光速迎面碰撞,偶爾會撞出歐米加b重子這樣的重粒子。
“發現這種粒子,就好比在干草堆里找一根針”,錢劍明這樣形容其難度,他說,他們共分析了約100萬億次的粒子碰撞,才在其中發現18次歐米加b重子衰變產生的“蹤跡”,這種粒子撞擊產生后,僅能存在一萬億分之一秒,隨即就衰變為其他粒子,
錢劍明說,這一發現能幫助科學家更好地理解宇宙間的物質是如何形成的,“這種新粒子可算是質子的另類‘親戚’,這樣的重子現在可能很罕見,但科學家們相信,在宇宙大爆炸之后它在宇宙空間是極其豐富的”,錢劍明認為,發現這種新粒子也證實,物理學中的夸克模型是成功的,“使我們對粒子之間的強相互作用有了新的認識,正是強相互作用把夸克綁在一起,形成了宇宙間的可見物質”。
3、粒子物理學的“圣杯”——“上帝粒子”(希格斯玻色子)
人們早已發現,自然界中物體之間千差萬別的相互作用,可以簡單劃分為四種力,即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產生放射衰變的弱作用力,在愛因斯坦的相對論解決了重力問題后,人們開始嘗試建立一個統一的模型,以期解釋通過后三種力相互作用的所有粒子。
經過長期研究和探索,科學家們建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學理論,它把基本粒子(構成物質的亞原子結構)分成三大類:夸克、輕子與玻色子,“標準模型”的出現,使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”,但是這一“家園”有個致命缺陷,那就是該模型無法解釋物質質量的來源。
為了修補上述理論大廈的缺陷,英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在,并進而預言了希格斯玻色子的存在,假設的希格斯玻色子是物質的質量之源,是電子和夸克等形成質量的基礎,其他粒子在希格斯玻色子構成的“海洋”中游弋,受其作用而產生慣性,最終才有了質量,爾后所有的粒子在除引力外的另三種力的框架中相互作用,統一于“標準模型”之下,構筑成大千世界。
“標準模型”預言了62種基本粒子的存在,這些粒子基本都已被實驗所證實,而希格斯玻色子是最后一種未被發現的基本粒子,因此,尋找該粒子,被比喻為尋找粒子物理學領域的“圣杯”,這個愿望可能很快就要實現。
我們很難想像在現實世界里,會看到這樣一個龐然大物,長27km,深埋在法國瑞士邊境地下100m的深處,這就是歐洲研究組織的大型強子對撞器(LHC),這個大型強子對撞器從構想到建成,已經歷時近20年,耗費資金超過80億美元,吸引了來自全球80多個國家的近5000名科學家參與其中,2008年9月10日15點30分,這個對撞器上演了微縮版的“宇宙大爆炸”,重現了宇宙誕生時的形態,這個史上規模最大的科學計劃,使人類進入了物理學的全新領域,開啟了重大物理學發現的一個新黃金時代。
在這個大型的強子對撞器內部,有一條長達27km的圓形隧道,在這里科學家們會將質子和離子加速至接近光速,然后使它們相撞,從而模擬出宇宙大爆炸后一萬億分之一秒內的能量和條件,緊接著科學家們會對撞擊所產生的殘骸物進行細致的分析,以此來探求物質本質的線索,以及自然中新的力量和平衡,最終達到揭示宇宙起源,尋找“上帝粒子”——希格斯玻色子的目的。
但在LHC啟動之前引發了媒體報道熱潮和所謂“民科”們的強烈反對,反對的原因之一是LHC會產生微型黑洞,黑洞一旦產生會吸收附近的物質,越長越大,最終吞噬地球,各種莫名其妙的擔心都有,有人認為世界末日在LHC啟動的時候立刻來臨,還有人經過“計算”告訴我們黑洞會在四年之內蠶食盡地球,另一些人認為高能碰撞可能會改變真空,觸發某種不穩定從而導致災難等等。
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