希格斯粒子是如何找到的？：来自史上最大物理实验的内部故事 - (EPUB全文下载)

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内容简介
在瑞法边境地下百米处深藏着一个全长27千米的庞然大物，那就是世界上最大最强的粒子加速器、人类有史以来建造的最大最复杂的实验设施，也是世界上最大的机器一一大型强子对撞机(LHC)。
自2008年9月启动以来，LHC在不断打破对撞能量记录的同时，也在持续开辟人类知识的新疆界。而2012年7月CERN公布的在LHC上的希格斯玻色子大发现，是粒子物理乃至科学在过去几十年里最重大的发现之一。它不仅为粒子物理的标准模型拼上了最后一块拼图，解决了“粒子物理的核心问题”，也在世界各地的公众当中引发了持续的热情和关注。
那么希格斯玻色子究竟是什么？它又是如何被发现的？除了搜寻希格斯玻色子，LHC还做了什么？在CERN的生活又是什么样子的？
在这本首次由内部人士讲述希格斯玻色子发现过程的书中，CERN资深物理学家乔恩•巴特沃思就将带你深入体验发现的整个过程，了解LHC背后的科学、技术、政治和文化，感受现代粒子物理大型国际合作项目中的生活点滴。
彩图1 LHC地理位置图
黄色小圆环为全长 千米的超级质子同步加速器，大圆环为全长2千米的大型强子对撞机。红色和蓝色圆环示意两道质子束运动轨迹和方向（入射箭头表示质子束注入），它们相交于四处，分别为四个主要探测器所在地。黑色实线表示LHC环道的八个等分区域， L 在第一区域，C 在第五区域。
彩图2 CERN加速器设施群
LHC为大型强子对撞机，为超级质子同步加速器，为质子同步加速器，为反质子减速器，C 3为紧凑直线加速器测试设施，CN 为从CERN到大萨索山中微子项目，L E为在线同位素分离器装置，LER为低能离子环，LN C为直线加速器，n- o为中子飞行时间测量装置。
彩图3 ATLAS控制室主楼壁画
彩图4 ATLAS探测器计算机模拟图
彩图5 ATLAS探测器工作原理
对撞生成的粒子经过内层跟踪器、热量计和μ子谱仪时表现出不同性质（虚线表示无法被相应仪器探测到）。μ子可以被所有仪器探测到，最后飞出探测器；光子和电子停留在电磁热量计，但光子无法被内层跟踪器探测到；质子和中子停留在强子热量计，但中子无法被内层跟踪器和电磁热量计探测到；中微子无法被任何仪器探测到，径直飞出探测器。
彩图6 ATLAS上的一个对撞事例
这里生成了两个μ子和两个电子：延伸到探测器之外的蓝色轨迹预示着μ子的存在；两道较短的蓝色轨迹（在内层跟踪器中）紧接着绿色团簇（在热量计中），预示着电子的存在。
彩图7 标准模型的基本粒子
三代12个费米子（夸克和轻子，每个均有反粒子）以及四个规范玻色子。为了解释质量起源，引入希格斯玻色子。（棕色区域表示相应规范玻色子可以与区域内的费米子耦合。）
彩图8 大自然的四种基本相互作用及其性质
献给苏珊娜、利昂、费利克斯以及伊迪
推荐序
2012年7月4日必定成为人类科学史上一个重要的日子。这一天，两个开展大型强子对撞机（LHC）物理研究的重要国际合作实验组ATLAS和CMS，在LHC运行三年后同时宣布在各自的探测器上均发现了物理学家，乃至全人类期盼已久的所谓“上帝粒子”——希格斯粒子存在的迹象。
LHC及其配套的六个探测器由八十多个国家的近万名科学家，历时二十年，花费逾百亿美元于2008年在日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）建成并试运行，次年开始正式运行。CERN是国际著名的粒子物理、核物理研究机构，始建于上世纪五十年代，地处瑞士与法国交界的日内瓦乡村。几十年来，CERN 建造了包括著名的大型正负电子对撞机（LEP）在内的若干不同类型的粒子物理、核物理实验装置，产生过多项具有里程碑意义的重大科学研究成果，甚至现在风靡全球、人们日常生活不可或缺的万维网（WWW）也发端于CERN的实验室。当年它只是科学家为了数据传输和交流方便而发明的一项辅助工具而已，足见这个研究机构对科学发展和社会进步产生的影响之大。
LHC是CERN目前正在运行和最为重要的实验装置，其主要科学目标包括精确检验粒子物理的标准模型、发现标准模型的最后一块基石——希格斯粒子，以及寻找超出标准模型的新物理信号等。为了避免实验受到外界因素的干扰，同时也为了尽可能地减少对环境造成不良的影响，周长27公里的LHC建在CERN地下近百米深处。它是有史以来人类建造的最庞大、最复杂的科学装置，也是迄今为止能量最高的对撞机。这台庞然大物将两团质子相向加速到光速的99.999 999 1%后使它们对撞，其能量足以再现大约137亿年前宇宙诞生之初万亿分之一秒的高密高热状态。LHC运行所消耗的电量大致相当于一个中等城市的用电量，其能量之大由此可见一斑。
LHC 高能质子-质子对撞实验装有四个大型探测器，ATLAS 和CMS就是其中的两个多功能探测器，它们也分别是相应实验合作组的名称。这两个重达万吨左右、有六七层楼高的巨型探测器通过探测质子-质子碰撞碎裂后的次级产物检验各种理论模型给出的预言，例如标准模型中的希格斯粒子及其性质，并寻找新的实验现象。这两个合作组分别有数千名来自世界各国的科学家在开展合作研究。这样规模的科学实验本身就是一个科技奇迹。试想，近万名科学家组织起来，用如此巨型的实验装置，研究尺寸只有10-13厘米、重量仅10-24克的质子碰撞，这难道还不够神奇吗？！
粒子物理中的所谓“标准模型”是由温伯格（S. Weinberg）、萨拉姆（A. Salam）和格拉肖（S. L. Glashow）于上世纪六十年代完成的，可以说是目前人类对微观世界认识方面的最高理论成就。几十年来大量的高能物理实验表明，标准模型是描述TeV能标以下基本粒子及其相互作用（引力除外）规律的正确理论，模型的创立者也因此获得了诺贝尔物理学奖。标准模型虽然由温伯格、萨拉姆和格拉肖最终完成，但实际上在其建立的过程中，许许多多科学家锱铢累积的研究铺垫也是必要的。这其中，有些成果非常重要，是标准模型建立不可或缺的，譬如杨-米尔斯理论、对称性自发破缺和希格斯机制等。
希格斯机制的建立过程也几经波折，最终由布劳特（R. Brout）、恩格勒特（F. Engler ............

书籍插图：

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