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為什麼物體會有品質?被稱為上帝粒子的這種粒子,竟賦予物質品質
2023/08/16

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你知道嗎?有一種粒子, 它可以決定物質是否擁有品質,它可以變成其他粒子,它還可能隱藏著宇宙的一些秘密。這種粒子就是 希格斯玻色子,也被稱為「上帝粒子」。它是物理學中最 重要和最神秘的發現之一,也是我們對自然界的理解的一個里程碑。

那麼,希格斯玻色子到底是什麼?它是如何被發現的?它在宇宙的作用是什麼?

我們一起往下看。

首先,我們要了解一下什麼是品質。 品質是物質的一個基本屬性,它決定了物質的慣性和引力。慣性是物質保持原來狀態的傾向,比如靜止或勻速運動。引力是物質之間相互吸引的力。我們都知道,不同的物質有不同的品質,比如鐵比木頭重,木頭比羽毛重。

那麼,為什麼不同的物質有不同的品質呢?

這就要從物質的組成說起了。

我們都知道,物質是由分子組成的,分子又是由原子組成的,原子又是由原子核和電子組成的。原子核又是由質子和中子組成的, 而質子和中子又是由夸克組成的。夸克是目前已知最小的基本粒子之一,它們有六種類型,分別叫做 上、下、奇、異、頂、底。

不同類型和組合的夸克構成了不同類型和組合的原子核,從而構成了不同類型和組合的原子,從而構成了不同類型和組合的分子,從而構成了不同類型和組合的物質。

那麼,夸克有沒有品質呢?

答案是肯定的。

夸克有不同的品質,從幾百萬分之一到幾億分之一電子伏特(eV)。電子伏特是物理學中用來表示能量或品質的單位,1 eV大約等于1.6乘以10^-19焦耳(J)。焦耳是國際單位制中用來表示能量或功的單位。根據愛因斯坦的著名公式E=mc^2(能量等于品質乘以光速平方),能量和品質可以互相轉化,并且可以用同一個單位來表示。 所以我們可以說夸克有不同的能量或品質。

那麼問題來了:為什麼夸克有不同的能量或品質呢?

這就要說到希格斯玻色子了。

希格斯玻色子是另一種基本粒子, 它與夸克不同,它不構成任何其他粒子或物質。它只存在于一個特殊的場中, 這個場叫做希格斯場。希格斯場是一個無處不在、無形無色、無味無聲、無法直接感知或測量的場。 但是它卻對其他粒子有著重要的影響:它可以賦予其他粒子品質。

這是怎麼做到的呢?

我們可以用一個簡單的類比來理解。

想象一下,你在一個大廳里,里面有很多人,他們都是希格斯場的一部分。現在,有兩個名人要進入這個大廳,他們分別是一個很有名氣的電影明星和一個不太出名的科學家。當電影明星進入大廳時,他會吸引很多人的注意力,很多人會圍著他,跟他打招呼,要求合影,或者只是想靠近他。這樣一來,電影明星就會感覺到很大的阻力, 他要花很多力氣才能穿過人群。這就相當于電影明星與希格斯場有很強的相互作用,因此獲得了很大的品質。

當科學家進入大廳時,他不會引起太多人的注意,只有少數人會跟他打招呼或交談。這樣一來,科學家就會感覺到很小的阻力,他可以比較容易地穿過人群。這就相當于科學家與希格斯場有很弱的相互作用,因此獲得了很小的品質。

如果有一個普通人進入大廳,他會引起一些人的注意,但也不會太多。這樣一來,普通人就會感覺到適中的阻力,他可以比較順利地穿過人群。 這就相當于普通人與希格斯場有適中的相互作用,因此獲得了適中的品質。

這個類比并不完美,但是它可以幫助我們理解希格斯場是如何賦予其他粒子品質的。不同類型和組合的粒子與希格斯場有不同強度的相互作用,因此獲得了不同大小的品質。 如果沒有希格斯場,所有的粒子都沒有品質,它們都以光速運動,并且無法形成任何穩定的結構或物質。

所以我們可以說 ,希格斯場是造物主的工具,它創造了物質的多樣性和豐富性。

那麼,希格斯玻色子又是什麼呢?

希格斯玻色子是希格斯場的一個激發態或波動態。

就像水波是水場的一個激發態或波動態一樣。當水被擾動時,它會產生水波,并且隨著時間和距離而衰減。同樣地,當希格斯場被擾動時,它會產生希格斯玻色子,并且隨著時間和距離而衰減。

那麼,什麼東西可以擾動希格斯場呢? 答案是高能粒子。

當高能粒子在大型強子對撞機(LHC)中相撞時,它們會釋放出巨大的能量,并且激發出希格斯場,并產生希格斯玻色子。 但是希格斯玻色子并不穩定,它會很快地衰變成其他粒子,并且隨著能量和角度而分布。

根據標準模型,希格斯玻色子可以衰變成多種不同類型和組合的粒子。其中最常見的一種是衰變成兩個底夸克(b夸克),這種情況大約占60%。其他可能性包括衰變成兩個光子、兩個W玻色子、兩個Z玻色子、兩個牛夸克(t夸克)等等。

每種衰變方式都有一個特定的機率或分支比,這些分支比都可以從標準模型中計算出來,并且可以通過實驗來檢驗。 如果實驗觀察到的分支比與理論預測不一致,那麼就意味著標準模型有缺陷,或者 存在一些新的物理現象

這就是為什麼物理學家們對希格斯玻色子的衰變如此感興趣, 因為它們可能揭示了宇宙的一些秘密。

在2012年,物理學家們在大型強子對撞機中 發現了希格斯玻色子,這是一個歷史性的成就,也為標準模型提供了重要的支持。但是這并不意味著希格斯玻色子的探索就此結束。

除了發現希格斯玻色子本身, 物理學家們還想觀察它的各種衰變方式,特別是那些很少見或很難探測的衰變方式,因為它們可能給我們帶來一些驚喜。在過去的幾年里,物理學家們已經觀察到了希格斯玻色子衰變成兩個光子、兩個W玻色子、兩個Z玻色子、兩個底夸克等等,

這些都與標準模型的預測相符。但是還有一些衰變方式沒有被觀察到,或者只有很弱的證據。 其中之一就是希格斯玻色子衰變成一個Z玻色子和一個光子。

這種衰變方式非常罕見,它的分支比只有0.2%左右,也就是說,每500個希格斯玻色子中只有一個會以這種方式衰變。而且這種衰變方式并不直接發生,而是通過一個中間的「環」或「圈」來進行,這個環由一些「虛擬」的粒子組成,它們只是短暫地存在,并且不能被直接探測。這些虛擬粒子可以是任何能夠與希格斯場、Z玻色子和光子相互作用的粒子,不同類型和組合的虛擬粒子會對這種衰變方式產生不同的影響,從而改變它的分支比和能量分布。如果存在一些標準模型之外的新粒子或新相互作用,它們也可能出現在這個環中,并且影響這種衰變方式。

因此,通過精確地測量這種衰變方式的性質,物理學家們可以探索一些新的物理現象。

最近,在大型強子對撞機中運行的兩個實驗——ATLAS和CMS——都報告了他們對這種罕見衰變方式的首次證據。

這些結果是非常令人興奮和重要的,因為它們不僅驗證了標準模型對希格斯玻色子的一個關鍵預測,而且也為尋找新物理提供了一個有力的工具。通過進一步地研究這種衰變方式的細節,比如它與希格斯玻色子品質、自旋、宇稱等性質的關系,以及它與其他衰變方式之間的干涉效應等等,物理學家們可以探測一些可能存在的微小的偏差或異常, 從而揭示一些標準模型之外的新現象。

總之,希格斯玻色子是一個非常神奇和神秘的粒子, 它不僅告訴我們物質是如何獲得品質的,而且也可能告訴我們一些我們還不知道的關于宇宙的秘密

通過觀察它的各種衰變方式,并且與標準模型進行比較,物理學家們可以測試和探索一些新的物理現象,或者發現一些意想不到的驚喜。也許有一天,我們會發現希格斯玻色子的某種衰變方式與我們的預期完全不同, 這將會是一個革命性的發現,也將會開啟一個新的物理學時代。

上帝粒子背后的奧秘還遠未結束!

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