普通天文学/希格斯玻色子

模拟产生希格斯玻色子的碰撞数据。

对于高能粒子物理学家来说，希格斯玻色子理论粒子是人们非常关注的焦点。然而，希格斯玻色子也正在与宇宙学家建立起牢不可破的联系，随着现代物理学研究的展开，这种联系很可能会更加紧密。粒子物理学家定期制造一些奇特的粒子，这些粒子在宇宙诞生的最初时刻后就很少自然而然地大量存在了，这在将这些学科联系在一起方面是一个重要步骤。希格斯玻色子的发现可以通过解决当前理论中的一些未解之谜来惠及宇宙学。随着进行高能粒子碰撞实验的成本不断上升，这种互惠互利的联系变得更加明显。下一代粒子实验可能依赖于来自太空的高能粒子来以更低的价格获得更高功率的碰撞。这种有益的领域融合被称为天体粒子物理学（或粒子天体物理学）。本章将重点介绍希格斯玻色子对双方理论的必要性，以及他们共同寻求发现难以捉摸的希格斯粒子的方式。

什么是希格斯玻色子？

2010 年坂井奖获得者 - 基布尔、古拉尔尼克、哈根、恩格勒特和布鲁特，这些成员是与希格斯同时发表论文的其他小组的成员。希格斯也是获奖者之一，但没有出现在照片中。

粒子名称中的“希格斯”部分没有物理意义。它以彼得·希格斯的名字命名，他与两个小组几乎同时发表了结果，这些小组发布了类似和相关的材料。2010 年，所有六位对希格斯理论做出贡献的人获得了J. J. 坂井理论粒子物理学奖。

“玻色子”部分确实具有物理意义。玻色子是一类受玻色-爱因斯坦统计理论支配的粒子，它们可以占据相同的量子态。这种行为被大多数更常见的粒子（质子、中子、电子，它们是费米子）的泡利不相容原理禁止。这是一个重要的标志，因为介导力被认为是玻色子。这包括：光子、胶子、W 和 Z、希格斯和引力子（与希格斯一样，目前只是理论上被认为存在）。玻色子具有整数自旋：上述前四个具有自旋 1，希格斯理论上具有 0 自旋，引力子理论上具有自旋 2。

基本粒子周期表。

它有什么作用？

理论上，希格斯玻色子是介导希格斯机制（也称为希格斯场）的粒子形式。希格斯场据说是所有粒子质量的来源，因此也是宇宙中所有物质的来源。它也是解释物质与反物质之间的不对称性的可能答案，这种不对称性使我们的现实成为可能（如果相等，宇宙中将只有能量）。它是粒子物理标准模型中唯一未被发现的粒子。希格斯机制是赋予自然所有组成部分质量的假设场。因此，如果发现了希格斯玻色子，它将证实希格斯机制的存在，这表明整个宇宙都被该场渗透，没有它，任何物体都不会有质量。

一个用熟悉的术语解释其运作方式的简单例子：一场聚会。如果一个在在场者中社会价值很低的人走进来，他们会被很大程度地忽视，因为他们四处走动。这与一个质量很小的粒子相当自由地穿过宇宙相匹配，因为它与希格斯场的相互作用较少。然而，如果一个被聚会成员崇拜的人进入，人们会很快聚集在他们周围，让他们难以自由移动。这相当于大量粒子被希格斯场严重拖累。这个例子中唯一被忽略的成分是无质量粒子。可以这样介绍它们：让一个吃糖过量的幼童进入。参与者通常会忽略这个孩子，因为它很容易地穿过人们之间的缝隙，在房间里跑来跑去，偶尔会碰到人。

希格斯玻色子与宇宙学的联系

宇宙时间线的可视化形式，包括暴胀时期

希格斯玻色子理论上有一个明显的联系，因为宇宙中有很多大质量物体，从构成强子的基本质量如夸克，到我们的地球、太阳和银河系的超大质量黑洞。然而，这种联系的核心比这更深。

当宇宙的质量小于你时

这个标题并不是一个不入流的基于物理学的肥胖笑话：它确实有一些道理。宇宙学中实际上认为，宇宙早期存在一个时期，在这个时期，甚至光子都没有表现出来，因为温度太高了。也就是说，在宇宙的最早期，根本没有光。据信这一原理也适用于希格斯玻色子及其机制。这具有非常深远的影响：在大爆炸之后，宇宙的质量为零，因为没有任何东西可以赋予存在于其中的任何东西以质量。这非常短暂（大约为一秒钟的一小部分），但对于宇宙学来说是一个至关重要的考虑因素。

这可能是暴胀现象的一种潜在解释，即宇宙在早期能够非常迅速地膨胀，以解释为什么宇宙目前看起来是平坦的或非常接近平坦的，尽管这与基于宇宙模型的预期相矛盾。

反物质是什么？

宇宙内容与年龄的关系。

宇宙标准模型的另一个问题是它缺乏对大爆炸为什么产生更多物质而不是反物质的明确解释（因此，自然界中没有大量存在反物质）。如果它与其他物理定律一致，那么物质的量和反物质的量就应该完全匹配，导致宇宙中所有的物质内容都与宇宙中所有的反物质内容湮灭，几乎没有留下任何物质。

这个问题，正式名称为：宇宙不对称性，被认为可能是由希格斯机制造成的早期宇宙轻微的不对称性引起的，最终导致了我们周围的物质占主导地位的宇宙。标准模型表明这种不对称性对我们大多数人来说是难以想象的微小：也就是说，曾经存在着1,000,000,000个夸克，但只有999,999,997个反夸克。这三个“单身汉”夸克在宇宙大爆炸中传播到庞大的物质数量中，成为了我们今天看到的所有的重子物质，而其余的则与它们大量存在的反夸克伙伴湮灭了。

这引发了另一个关于暗物质的疑问，暗物质中的很大一部分被认为是非重子物质（本质上就是：不是由构成元素周期表的质子和中子组成的，而元素周期表又构成所有分子，这些分子代表着非物理学专业人士需要知道的关于一切的一切）。未来宇宙学迫切需要解决的一个问题是：这种大量不包含在明显存在于宇宙中（根据观测）的不对称性残留物质中（数量是构成我们所知道的一切的重子物质的五倍）究竟是什么？但这是一个偏离本章主题的论题，即使是在当前物理学领域，也是相当陌生的领域。

希格斯玻色子究竟在哪里？

带实验标签的LHC粒子加速器地图。

所以，这个粒子对于宇宙的更大命运似乎非常重要，这些物理学家是如何团结起来寻找它的呢？这部分内容可能比较熟悉，因为大型强子对撞机 (LHC)近年来作为“大爆炸机器”而广为人知。它不是第一个，但它是块新颖、快速、强大的加速器，如果希格斯玻色子存在，它将能够提供必要的能量来确定地创造它，而它的前身则不能，如果它比预期的更重的话。但首先，让我们解释一下搜索是如何进行的，然后再详细介绍正在努力寻找它的几个实验，也许用“竞争”这个词更合适。

参考文献

注释

参考书目

稍后补充。