普通天文學/希格斯玻色子

模擬產生希格斯玻色子的碰撞資料。

對於高能粒子物理學家來說，希格斯玻色子理論粒子是人們非常關注的焦點。然而，希格斯玻色子也正在與宇宙學家建立起牢不可破的聯絡，隨著現代物理學研究的展開，這種聯絡很可能會更加緊密。粒子物理學家定期製造一些奇特的粒子，這些粒子在宇宙誕生的最初時刻後就很少自然而然地大量存在了，這在將這些學科聯絡在一起方面是一個重要步驟。希格斯玻色子的發現可以透過解決當前理論中的一些未解之謎來惠及宇宙學。隨著進行高能粒子碰撞實驗的成本不斷上升，這種互惠互利的聯絡變得更加明顯。下一代粒子實驗可能依賴於來自太空的高能粒子來以更低的價格獲得更高功率的碰撞。這種有益的領域融合被稱為天體粒子物理學（或粒子天體物理學）。本章將重點介紹希格斯玻色子對雙方理論的必要性，以及他們共同尋求發現難以捉摸的希格斯粒子的方式。

什麼是希格斯玻色子？

2010 年坂井獎獲得者 - 基布林、古拉爾尼克、哈根、恩格勒特和布魯特，這些成員是與希格斯同時發表論文的其他小組的成員。希格斯也是獲獎者之一，但沒有出現在照片中。

粒子名稱中的“希格斯”部分沒有物理意義。它以彼得·希格斯的名字命名，他與兩個小組幾乎同時發表了結果，這些小組釋出了類似和相關的材料。2010 年，所有六位對希格斯理論做出貢獻的人獲得了J. J. 坂井理論粒子物理學獎。

“玻色子”部分確實具有物理意義。玻色子是一類受玻色-愛因斯坦統計理論支配的粒子，它們可以佔據相同的量子態。這種行為被大多數更常見的粒子（質子、中子、電子，它們是費米子）的泡利不相容原理禁止。這是一個重要的標誌，因為介導力被認為是玻色子。這包括：光子、膠子、W 和 Z、希格斯和引力子（與希格斯一樣，目前只是理論上被認為存在）。玻色子具有整數自旋：上述前四個具有自旋 1，希格斯理論上具有 0 自旋，引力子理論上具有自旋 2。

基本粒子週期表。

它有什麼作用？

理論上，希格斯玻色子是介導希格斯機制（也稱為希格斯場）的粒子形式。希格斯場據說是所有粒子質量的來源，因此也是宇宙中所有物質的來源。它也是解釋物質與反物質之間的不對稱性的可能答案，這種不對稱性使我們的現實成為可能（如果相等，宇宙中將只有能量）。它是粒子物理標準模型中唯一未被發現的粒子。希格斯機制是賦予自然所有組成部分質量的假設場。因此，如果發現了希格斯玻色子，它將證實希格斯機制的存在，這表明整個宇宙都被該場滲透，沒有它，任何物體都不會有質量。

一個用熟悉的術語解釋其運作方式的簡單例子：一場聚會。如果一個在在場者中社會價值很低的人走進來，他們會被很大程度地忽視，因為他們四處走動。這與一個質量很小的粒子相當自由地穿過宇宙相匹配，因為它與希格斯場的相互作用較少。然而，如果一個被聚會成員崇拜的人進入，人們會很快聚集在他們周圍，讓他們難以自由移動。這相當於大量粒子被希格斯場嚴重拖累。這個例子中唯一被忽略的成分是無質量粒子。可以這樣介紹它們：讓一個吃糖過量的幼童進入。參與者通常會忽略這個孩子，因為它很容易地穿過人們之間的縫隙，在房間裡跑來跑去，偶爾會碰到人。

希格斯玻色子與宇宙學的聯絡

宇宙時間線的視覺化形式，包括暴脹時期

希格斯玻色子理論上有一個明顯的聯絡，因為宇宙中有很多大質量物體，從構成強子的基本質量如夸克，到我們的地球、太陽和銀河系的超大質量黑洞。然而，這種聯絡的核心比這更深。

當宇宙的質量小於你時

這個標題並不是一個不入流的基於物理學的肥胖笑話：它確實有一些道理。宇宙學中實際上認為，宇宙早期存在一個時期，在這個時期，甚至光子都沒有表現出來，因為溫度太高了。也就是說，在宇宙的最早期，根本沒有光。據信這一原理也適用於希格斯玻色子及其機制。這具有非常深遠的影響：在大爆炸之後，宇宙的質量為零，因為沒有任何東西可以賦予存在於其中的任何東西以質量。這非常短暫（大約為一秒鐘的一小部分），但對於宇宙學來說是一個至關重要的考慮因素。

這可能是暴脹現象的一種潛在解釋，即宇宙在早期能夠非常迅速地膨脹，以解釋為什麼宇宙目前看起來是平坦的或非常接近平坦的，儘管這與基於宇宙模型的預期相矛盾。

反物質是什麼？

宇宙內容與年齡的關係。

宇宙標準模型的另一個問題是它缺乏對大爆炸為什麼產生更多物質而不是反物質的明確解釋（因此，自然界中沒有大量存在反物質）。如果它與其他物理定律一致，那麼物質的量和反物質的量就應該完全匹配，導致宇宙中所有的物質內容都與宇宙中所有的反物質內容湮滅，幾乎沒有留下任何物質。

這個問題，正式名稱為：宇宙不對稱性，被認為可能是由希格斯機制造成的早期宇宙輕微的不對稱性引起的，最終導致了我們周圍的物質占主導地位的宇宙。標準模型表明這種不對稱性對我們大多數人來說是難以想象的微小：也就是說，曾經存在著1,000,000,000個夸克，但只有999,999,997個反夸克。這三個“單身漢”夸克在宇宙大爆炸中傳播到龐大的物質數量中，成為了我們今天看到的所有的重子物質，而其餘的則與它們大量存在的反夸克夥伴湮滅了。

這引發了另一個關於暗物質的疑問，暗物質中的很大一部分被認為是非重子物質（本質上就是：不是由構成元素週期表的質子和中子組成的，而元素週期表又構成所有分子，這些分子代表著非物理學專業人士需要知道的關於一切的一切）。未來宇宙學迫切需要解決的一個問題是：這種大量不包含在明視訊記憶體在於宇宙中（根據觀測）的不對稱性殘留物質中（數量是構成我們所知道的一切的重子物質的五倍）究竟是什麼？但這是一個偏離本章主題的論題，即使是在當前物理學領域，也是相當陌生的領域。

希格斯玻色子究竟在哪裡？

帶實驗標籤的LHC粒子加速器地圖。

所以，這個粒子對於宇宙的更大命運似乎非常重要，這些物理學家是如何團結起來尋找它的呢？這部分內容可能比較熟悉，因為大型強子對撞機 (LHC)近年來作為“大爆炸機器”而廣為人知。它不是第一個，但它是塊新穎、快速、強大的加速器，如果希格斯玻色子存在，它將能夠提供必要的能量來確定地創造它，而它的前身則不能，如果它比預期的更重的話。但首先，讓我們解釋一下搜尋是如何進行的，然後再詳細介紹正在努力尋找它的幾個實驗，也許用“競爭”這個詞更合適。

參考文獻

註釋

參考書目

稍後補充。