希格斯粒子

伤我心太深

在标准模型的预测了希格斯粒子是具有质量的基本粒子。目前，没有其他已知的基本量粒子的性质。希格斯粒子是唯一在标准模型所预测的粒子中还没有被观测到的。观测希格斯粒子的实验预期将可以帮助解释宇宙万物的质量。希格斯粒子预期将是和无质量光子(用来传递电磁作用力)、有质量的W和Z玻色子(用来传递弱作用力)。如果希格斯粒子存在，他是一个完整的物质世界的组成部分(它是一个完整的和普遍的组成部分物质世界。)在欧洲核能研究中心的强子对撞机，在2009年12月20日正式启用，被预期将可以提出实验证实希格斯粒子是否存在。另一方面，费米实验室也企图做实验去找到希格斯粒子，即使局限在费米实验室中的电子加速器的低能量。据报道，费米实验中的物理学家指出费米实验室可以找到希格斯粒子的机率大约为50%到96%，取决于希格斯粒子的质量。希格斯机制，给了向量玻色子质量，是由François Englert 和 Robert Brout在1964年所建立的理论。同年十月Peter Higgs由Philip Anderson得到灵感；而且与Gerald Guralnik, C. R. Hagen, and Tom Kibble在1963年的春天所计算出的结果无关。这三篇关于此探讨的论文分别由Guralnik、Hagen、 Kibble、 Higgs、 Brout 和 Englert所撰写，被公认为Physical Review Letters 50周年庆祝的里程碑。虽然这三篇有名的论文做了类似的研究，但其贡献与之间的不同在1964 PRL Symmetry Breaking的论文中是值得注意的。这六个科学家对于理论粒子物理学的贡献因此荣获2010樱井奖。Steven Weinberg, Abdus Salam, 首先利用希格斯机制在电弱对称性缺陷。电弱理论预测了中性粒子的质量与W和Z玻色子有关。


希格斯玻色子（或称希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量


希格斯粒子，簡單來說，是「賦予基本粒子質量的那種粒子」。根據基本粒子物理學的「標準理論註1」，基本粒子的質量都應該為零。這個結論似乎不可思議，然而，這個理論卻與在加速器等裝置上所得到的實驗結果十分一致。不過，現實情況是，大多數的基本粒子（電子、夸克和弱玻色子等）都具有質量。

希格斯粒子

對於這個矛盾，理論上的解釋是，存在着一種希格斯粒子，是希格斯粒子使基本粒子獲得了質量。理論認為，這種希格斯粒子充滿了看似甚麼都沒有的真空。光的基本粒子「光子」的質量為零，這是因為光子在行進中不與希格斯粒子發生碰撞。光在真空中行進不受任何阻礙，因而以自然界中的最高速度（每秒30萬公里）行進。
然而，電子則是一面與充滿真空的希格斯粒子發生碰撞一面行進。換句話說，電子運動要比光子困難。這就是「電子具有質量」的真實涵義。
不過，希格斯粒子的存在現在還沒有得到實驗的證實。在有史以來能量最高的加速器LHC上安排的那些實驗的一個主要目的，就是希望能夠發現希格斯粒子。在LHC上加速質子使它們發生對撞的巨大能量應該足夠「敲打出」充滿真空的希格斯粒子。
這以前，有不少基本粒子都是先由理論預言其存在，後來才通過實驗和觀測被實際發現的，例如粲夸克等重夸克、中微子，還有反粒子等都是如此。這一次理論所預言的希格斯粒子是否也能夠真的被發現呢？這需要由今後的加速實驗來回答。


註1﹕所謂標準理論（又稱標準模型）是描述夸克和輕子（包括電子）以及作用在它們之間的除了萬有引力之外的其他三種力（電磁力、弱力和強力）的一種理論。超對稱性粒子則由另一種突破標準理論框架的「超對稱性理論」所預言的一類基本粒子。在標準理論的框架內無法實現「三種力的統一」，而新提出的超對稱性理論則有可能實現這種統一。




英国物理学家希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺，并将质量赋予规范玻色子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场 量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称LHC)将有机会发现希格斯粒子。

　　上帝粒子--希格斯粒子

　　希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，“上帝粒子”是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前

欧洲核子研究中心大型强子对撞机

已成为整个粒子物理学界研究的中心，莱德曼更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”。

　　自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，直至如今，在一个多世纪的时间里 ，人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。但是也许会为我们揭示出一条全新的探索旅途。就让我们先来回顾一下上个世纪中期以来粒子物理学的发展历史，以及现在处于主流的标准模型理论。

编辑本段研究历史　　在电弱统一理论从建立到获得成功，其中一个关键的因素就是对称自发破残原理推测出来的希格斯玻色子，用它来解释电弱统一理论中的W+1、W-1、Z0玻色子非零质量的获得机制。

英国物理学家希格斯

但到如今，电弱统一理论已经获得了诺贝尔奖从而得到大家普遍的承认，而作为电弱统一理论基础的希格斯玻色子（X0）仍然没有在大家的视野中揭开它神秘的面纱，这个难题一直以来都困扰着所有从事基本粒子研究的爱好者们。虽说到现在为止还没有人发现它的踪迹，但很多实验表明了电弱统一理论是完全正 确的，这使得人们相信它必然存在，发现它只是时间的问题。但是科学是一门以事实说话的学问，不是大家想当然的就能解决的问题。因此找到一种合乎自然辩证逻辑的理论是解释现象的关键。

　　为了修补上述理论的缺陷，英国物理学家希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的场中，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。之后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于标准模型之下。标准模型预言了62种基本粒子的存在，这些粒子基本都已被实验所证实，而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。





　用方程式可以简要的表达以下这种变化：

　　一、夸克（K+2/3、K-2/3）、味玻色子（W+1、W-1）及电荷粒

　　（E+1、E-1）的生成方程

　　1、H+8/3 → K+2/3 + W+1 + E+1

　　2、H-8/3 → K-2/3 + W-1 + E-1

　　二、夸克（K-1/3、K+1/3）、味玻色子（W+1、W-1）及中微子（M 0）的生成方程

　　1、V-4/3 → K-1/3 + W-1 + M 0

　　2、V+4/3 → K+1/3 + W+1 + M 0

　　三、希格斯玻色子（X0）、引力子（G0）及味玻色子（W+1、W-1）的生成方程

　　1、H+8/3 + H-8/3 → X0 + W+1 + W-1

　　2、V+4/3 + V-4/3 → G0 + W+1 + W-1

　　四、磁单极子（C0）、胶子（J0）、光子（Y0）及不带荷的味玻色子（Z0）的生成方程

　　1、H+8/3 + H-8/3 → C0 + J0 + Z0

　　2、V+4/3 + V-4/3 → Y0 + J0 + Z0

粒子物理学在上个世纪50年代，经历了一个短暂的困难时期，按照诺贝尔奖得主，电弱统一理论提出者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”，几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答，从60年代开始，基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论，逐步构建完成了现代的标准模型理论。今天，标准模型早已成为粒子物理学的主流理论，它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。

　　标准模型包含费米子及玻色子两类——费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

　　标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。

　　我们最初提到的希格斯子，也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。那么为何质量问题如此重要呢？要解答这个问题，必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中，杨-米尔理论无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现所谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。

　　这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，将使整个标准模型失去效力。


美国进行的一项新的原子撞击实验结果显示，所谓的“上帝粒子”实际上可能是5种截然不同的粒子。一些理论家认为希格斯玻色子并不单单指一种粒子，而是多种质量相似但所带电

假象的希格斯玻色子

荷存在差

　　费米实验室万亿电子伏特加速器异的粒子。美国伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的研究人员指出，他们发现了能够证明这种“多种粒子理论”的证据。有关“上帝粒子”的单一粒子理论就此面临挑战。

　　在费米实验室万亿电子伏粒子对撞机最近进行的一项名为“DZero”的实验中，科学家发现质子和反质子相撞更多地是产生物质粒子而不是反物质粒子。研究报告联合执笔人、费米实验室理论物理学家亚当·马丁表示，两者之间相差很少，不到1%，但无法利用假定只存在一种希格斯玻色子的标准模型加以解释。同时他认为这种影响实际上非常小，但如果将标准模型中所有最初原则考虑在内，这种影响仍远远超过科学家的想象。　

　　标准模型假设只存在一种希格斯粒子，无法解释DZero实验的结果。如果科学家假定希格斯玻色子实际上是指5种粒子——也就是对标准模型进行扩展，形成双希格斯二重态模型——DZero实验的结果便可以解释。亚当·马丁表示，在对标准模型进行扩展时，加入了新的粒子和新的交互作用。新的交互作用对物质和反物质区别对待，因此能够促使实验中出现更大的影响。

编辑本段萍踪难觅　　然而希格斯粒子的真面目却始终无缘识荆，有过几次，人们似乎已经发现了希格斯粒子的踪影，然后它却似乎是故意在人们面前闪现一下影子，然后就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

　　2000年，位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）的工作人员通过世界上最大的正负电子对撞机LEP攫取了115GeV的希格斯粒子，但是他们当时的统计数据不足以做出任何确定的推论。

　　另一次在2003年，物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机，让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹，试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段，需要很长的时间来修复，因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。

　　然而人们似乎已经下定决心一定要找到这个神秘的粒子。2008年8月，靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机（LHC）。这架大型质子对撞机安放在位于地下175米深处，周长约为27公里的隧道中，计划造价约为80亿美元。计划实施时，将有来自34个国家150个研究实验室近2000名科学家参加。乐观的估计，将在2010年前后提供一个确切的答案。

　　于2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下175米深、约27公里长的环形隧道中,耗资总计约20亿美元,预计将于2008年6月正式开始运行。届时，它将凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下，能够发现希格斯玻色子。　

　　不过希格斯认为,迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据。希格斯说，希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯玻色子的存在。他幽默地说:“如果届时还是没有发现,那我只能祝愿自己活得再长久一些了。”但他强调，如果总是不能证实希格斯玻色子的存在，那么他将“非常、非常困惑”，因为他“无法想象除此之外还能怎样解释物质是如何获得质量的”。

　　物理学家们怀着对科学的热爱和虔诚，一直致力于理解物质的真正本质，完成对所有物理现象的统一理论，从而获得整个世界的终极知识。