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科学|为什么两个希格斯玻色子之间的质量会不相同？( 二 )


“4×2”和“2×4”给出的答案可能不太一样 ， 但某些量子算子确实具有这样的性质：它们不进行交换 。这一基本且不可避免的性质被称为海森堡不确定性 ， 它发生在任意两个不可交换变量/算子之间 。等数量的角动量在x, y,和z方向 ， 或者像位置(Δx)和动量(Δp),这种内在的不确定性是不容忽视的 。
还有很多其他物理量它们之间有同样的不确定性关系 。我们称之为共轭变量 。包括角动量(ΔL)和角位置(Δθ),自由电荷(Δq)和电压(Δφ),这里的特殊的意义——对能量(ΔE)和时间(Δt) 。QCD的可视化演示了由于海森堡的不确定性 ， 粒子/反粒子对如何在非常短的时间内跳出量子真空 。量子真空之所以有趣 ， 是因为它要求真空空间本身不那么空 ， 而是充满了各种状态的粒子、反粒子和场 ， 这是描述我们宇宙的量子场论所要求的 。把这些都放在一起 ， 你会发现空的空间有一个零点能量实际上大于零 。
如果你观察一下空间本身 ， 你可能会得出结论 ， 里面什么也没有 。但在量子层面上 ， 有量子场渗透到所有的空间中 ， 这些场不仅存在于零能量下；他们存在能量波动(ΔE)变大的时间表你看(Δt)变短 。海森堡测不准关系告诉你的产品这两个不确定性必须大于或等于一个有限的数量：/ 2 。
当我们讨论一个真实存在的粒子时 ， 如果粒子是稳定的 ， 你就不用担心这种能量不确定性 。原因很简单：稳定意味着它的寿命是无限的 。如果你给无限的生命周期加上有限的不确定性 ， 你不会改变它；把常数加到无穷是无关紧要的 。但是如果你的粒子是不稳定的 ， 这意味着它的生命周期本身是不确定的(有一个真正的Δt),那么它的能量(ΔE)必须确定 。
科学|为什么两个希格斯玻色子之间的质量会不相同？
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几年前CMS和ATLAS合作宣布了对希格斯玻色子的第一个5-sigma检测 。但是希格斯玻色子在数据中并没有产生一个“尖峰” ， 而是由于其内在的质量不确定性而产生了一个扩展的凸起 。它的平均质量值为125 GeV/c^2 ， 这对理论物理学来说是一个谜 ， 但实验员不必担心:它是存在的 ， 我们可以创造它 ， 现在我们也可以测量和研究它的性质 。
现在 ， 想想这个方程决定的不确定性：ΔE·Δt≥/ 2 。当你有一个较短的时间内粒子的生活 ， Δt会更小 。如果Δt较小 ， 但ΔE·Δt必须大于(或等于)某一常数,那么必然意味着ΔE必须大 。因此 ， 根据爱因斯坦最著名的方程 ， E = mc^2 ， 这个粒子的质量一定也有一个固有的不确定性 。
希格斯玻色子只生活在10^-23秒 ， 并拥有一个巨大的ΔE结果：它的质量是不确定中位数~ 1%左右 。如果你创造一个希格斯玻色子 ， 它的质量很容易达到123.4 GeV/c2 ， 就像它的质量可以达到125.9 GeV/c2一样 。其他寿命很短、质量很大的粒子 ， 如W或Z玻色子 ， 也有类似的内在特性：它们的质量也有~2-3%的不确定性 。
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测量到的固有宽度是2.5 GeV ， 约为总质量的±3% 。
但最糟糕的是顶夸克 。顶夸克是整个标准模型中寿命最短的粒子 ， 平均寿命只有0.5 yoctosecs ， 即5×10^-25 s 。当你创造一个顶夸克时 ， 它可能会活到平均时间的一半或四分之一 ， 或者两倍或三倍 ， 或者介于两者之间 。同样 ， 夸克顶部也会有一个平均质量 ， 但每个值都遵循钟形曲线分布 。
虽然顶夸克的平均质量可能在173到174 GeV/c2之间 ， 但一些顶夸克的质量可能会低至165 GeV/c2 ， 而另一些则会高于180 GeV/c2 。这不是我们如何测量它或我们的探测器的限制 ， 顶部夸克质量的这些变化实际上是由粒子变化而来的 。换句话说 ， 每个上夸克的质量不一定和它旁边的上夸克的质量相同!
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从费米实验室的两个主要合作中 ， 通过测量各种衰变通道得到的各种顶夸克平均质量的最佳测量值 。请注意这些巨大的不确定性 ， 以及许多顶夸克看起来要么比平均质量大得多 ， 要么比平均质量小得多的事实 。
当创造一个新的基本粒子时 ， 如果它的生命周期是有限的 ， 并且不是真正稳定的 ， 那么这个粒子所拥有的内在能量必然是不确定的 。结果 ， 从字面上看 ， 它的质量与其他完全相同类型的粒子有着根本的不同 。


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