如何發(fā)現(xiàn)一種新粒子

葉苗

我們來(lái)用野外生物學(xué)家的探險(xiǎn)作比喻，給大家介紹一下粒子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)新粒子的各種不同的方法。當(dāng)一個(gè)野外生物學(xué)家進(jìn)入新的區(qū)域?qū)ふ椅粗膭?dòng)物時(shí)，他可以利用不同的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)新的物種。

直接觀(guān)察

假設(shè)你是一位博物學(xué)家，正在探索一座全新的島嶼。在開(kāi)始你的探險(xiǎn)之前，你并不知道你會(huì)在這座島嶼上有什么新發(fā)現(xiàn)。也許那里的植物和動(dòng)物都跟你的家鄉(xiāng)一樣，并不新奇。但是，一旦你在島上發(fā)現(xiàn)了一只特征很奇怪的動(dòng)物（例如有翅膀的獨(dú)角獸），那么你并不需要花太多時(shí)間就可以意識(shí)到那是一個(gè)新的物種，而且你知道家鄉(xiāng)的物種中絕對(duì)沒(méi)有它。

物理學(xué)家們第一次發(fā)現(xiàn)μ粒子時(shí)的情形就是這樣。他們的反應(yīng)也是一樣的驚訝：“咦！那是什么東西？”

尋找間接證據(jù)

作為一個(gè)野外生物學(xué)家，如果你在水邊發(fā)現(xiàn)了全新的足跡和毛發(fā)，那么你就知道這附近一定有新品種。在這種情況下，即使你沒(méi)親眼見(jiàn)到，問(wèn)題也不大。如果這新物種非常謹(jǐn)慎，那么你可能得花很長(zhǎng)時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)它。在正式發(fā)現(xiàn)它之前，你也可以獲得更多關(guān)于這種新物種的信息：通過(guò)研究它的足跡，你可以知道它的體重，以及它是獨(dú)居還是群居的;它的糞便還會(huì)揭示它是食肉動(dòng)物還是食草動(dòng)物。

這正是粒子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)中微子的方式。中微子本身還沒(méi)被見(jiàn)到，但是間接的證據(jù)讓粒子物理學(xué)家們毫不懷疑它的存在。

化石和殘留物

沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)恐龍，但由于它們的骨骼化石被發(fā)現(xiàn)了，所以我們知道恐龍是真實(shí)存在的。如果你去自然歷史博物館，那么你就可以親眼見(jiàn)到那些骨骼化石。加上博物館資料室里有著大量關(guān)于恐龍的資料，所以我們可以詳細(xì)地了解很多關(guān)于恐龍的信息。

在亞原子世界里，一些基本粒子的存活時(shí)間只有十億分之一秒。它們的存活時(shí)間是如此之短，以致于我們根本看不到它們，更別說(shuō)仔細(xì)觀(guān)察了。幸運(yùn)的是，當(dāng)它們消亡時(shí)，它們會(huì)衰變成更小的粒子。這些更小的粒子很穩(wěn)定，存在的時(shí)間足夠長(zhǎng)，我們的探測(cè)器能夠從容地觀(guān)察它們。所以，我們可以根據(jù)這些更小的粒子推測(cè)某一亞原子粒子的存在和重現(xiàn)它，正如我們用骨骼化石重構(gòu)恐龍那樣。

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)幫助我們發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)新的粒子，其中就包括了2012年被發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。