作者：張?zhí)烊?/a>
2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞，宣告LHC的緊湊渺子線圈（CMS）和超環(huán)面儀器（ATLAS）于2012年7月4日測量到了具有零自旋與偶宇稱的希格斯玻色子——科學(xué)家們一直期待著的“上帝粒子”。
這是瑞士日內(nèi)瓦西北部的郊區(qū)，左邊已經(jīng)能看到法國邊境處的田野，背景是美麗的日內(nèi)瓦湖。漂亮的建筑，翠綠的草坪，在這一片寧靜祥和的美景之下，隱藏著一個巨大的科學(xué)研究裝置：歐洲核子中心的大型強(qiáng)子碰撞機(jī)。
CERN的強(qiáng)子加速器LHC
歐洲核子中心（CERN）找到“上帝粒子”的消息之所以震驚了全世界，在于大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC隱藏在100米深的地下，位于一個周長27公里的巨大的環(huán)形隧道內(nèi)。這是一個由多個國家的科學(xué)團(tuán)體聯(lián)合建造的世界上最大粒子加速器，其主要目的就是為了尋找希格斯粒子。它配置了一臺世界上最昂貴的顯微鏡，總耗資達(dá)到130億美元，由上萬人為此日夜辛勤工作。2012年7月4日，終于追蹤到一個平均壽命只有1.56×10?22秒（s）的基本粒子——希格斯粒子！當(dāng)CERN的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們第二年基本確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”之后，諾貝爾委員會當(dāng)年就決定將2013年的物理獎授予與此相關(guān)的兩位理論物理學(xué)家：弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。
希格斯玻色子的產(chǎn)生
“上帝粒子”并非天外來客。與其說CERN“發(fā)現(xiàn)”了希格斯粒子，倒不如說對撞機(jī)“制造”出了希格斯粒子更準(zhǔn)確?？茖W(xué)家們讓LHC隧道中的兩束質(zhì)子流以每秒11245圈的速度（接近光速）狂奔，使二者發(fā)生碰撞，在極小的空間內(nèi)爆發(fā)出相當(dāng)于十萬倍太陽溫度的超級高溫，從而釋放出大量的能量和粒子?？茖W(xué)家們預(yù)測，在這些釋放出來的粒子中就有可能包含著希格斯粒子。不過，質(zhì)子碰撞產(chǎn)生希格斯粒子的幾率很小，每1012次的對撞才可能產(chǎn)生一次。并且，希格斯粒子即使產(chǎn)生了也會轉(zhuǎn)瞬即逝，在10億分之一秒內(nèi)它會衰變成其它的粒子。因此，要想捕捉到希格斯粒子實(shí)在是太不容易了。
希格斯玻色子是粒子物理學(xué)認(rèn)可的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中其它基本粒子的質(zhì)量“源泉”，它提供了一個“質(zhì)量來源”的機(jī)制。
所謂質(zhì)量，在中學(xué)物理書中被定義為客體“所含物質(zhì)的多少”。但理論物理學(xué)家關(guān)注的是“質(zhì)量起源”問題?！白犯菰础保瑢で蟆叭f物之本”?！百|(zhì)量”在經(jīng)典物理中是無可非議的存在，但在現(xiàn)代物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中，卻要煞費(fèi)心機(jī)地去追溯它的“來源”。
標(biāo)準(zhǔn)模型試圖將“萬物”歸納統(tǒng)一為最少數(shù)目的“基本元素”，而描述粒子之間各種相互作用的較成功理論是“規(guī)范場論”。
希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖
規(guī)范場論在數(shù)學(xué)上十分漂亮，但它有一個缺陷：與其相關(guān)的粒子（規(guī)范粒子）的質(zhì)量只能為0，這會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模型（見圖）中的所有基本粒子的質(zhì)量都為0。顯然這不符合客觀現(xiàn)實(shí)。然而現(xiàn)實(shí)是物理科學(xué)的“根基”，即使理論上再美，猶如舍不得放棄的“至愛”，其理論之美也只能服從于客觀實(shí)際。希格斯機(jī)制可以解決二者之間的矛盾，使規(guī)范場的理論趨于完美。
物理學(xué)的基本理論不是簡單撮合或大雜燴。上一篇提到南部陽一郎（Yoichiro Nambu，1921-2015）首先將“對稱破缺”這一概念從凝聚態(tài)物理引入到粒子物理并非偶然，他是在反復(fù)仔細(xì)研究了BCS超導(dǎo)理論之后才有所突破的。
超導(dǎo)（BCS）的對稱破缺（從U(1)到Z2）
南部一郎是日本人，1970年加入美國籍，2008年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。他對物理學(xué)的最主要貢獻(xiàn)就是對“對稱性自發(fā)破缺”機(jī)制的研究。
他首先從量子場論的角度，用對稱破缺的概念研究BCS超導(dǎo)理論問題。導(dǎo)體在低溫條件下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，最基本的因素仍然只會是電子之間的電磁相互作用。根據(jù)規(guī)范理論，電磁場符合U(1)群所描述的相位旋轉(zhuǎn)對稱性（上圖）。但是，當(dāng)電子雙雙組成“庫珀對”之后，失去了相位360度的旋轉(zhuǎn)對稱性，只留下兩個元素Z2群的對稱性。U(1)到Z2對稱性的變化，改變了原來物質(zhì)能帶圖中的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)，從而形成了超導(dǎo)。
BCS理論中的對稱破缺，如同樹立的鉛筆從平衡位置可以向任何一個方向倒下一樣，電磁作用中的基態(tài)不止一個，而是有無窮多個，類似物理規(guī)律具有旋轉(zhuǎn)對稱性。鉛筆的“基態(tài)”是“簡并”的，可以理解為有無限多的“基態(tài)”，但就整體而言，鉛筆往一邊倒下后，便只能處于一個具體的“基態(tài)”，這時就沒有旋轉(zhuǎn)對稱性了。鉛筆倒下后的那個“基態(tài)”正是緣自對稱性的破壞。
2008年諾貝爾物理獎得主
獲2008年諾貝爾物理獎的另兩位日本本土物理學(xué)家小林誠和益川敏英在南部所做工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了對稱破缺。1973年，29歲的小林誠和33歲的益川敏英提出“小林－益川理論”，解釋了宇宙演化過程中為什么粒子多于反粒子的原因。通過研究弱相互作用中CP對稱性的破壞，他們認(rèn)為粒子和反粒子之間除了電荷符號不同之外，還有一些微小的差異，這種微小的差異引起CP自發(fā)對稱破缺，導(dǎo)致正粒子和反粒子的衰變反應(yīng)速率不同，造成正粒子數(shù)目大大多于反粒子。
按照小林－益川理論，應(yīng)該存在6種夸克，其對稱破缺機(jī)制才能起作用。然而當(dāng)時還只發(fā)現(xiàn)了3種夸克。后來，另外3種夸克分別在1974、1977、1995年被發(fā)現(xiàn)。而且，在2001年和2004年，美國斯坦福實(shí)驗(yàn)室和日本高能加速器也分別獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)了小林-益川理論所描述的自發(fā)對稱破缺機(jī)制。
有趣的是，當(dāng)初小林誠和益川敏英的論文是發(fā)表在一個日本的物理專業(yè)雜志上，好幾年都無人問津。幸好后來有人將此文介紹到主流物理界才被大多數(shù)物理學(xué)家知曉或引用。
自發(fā)對稱破缺展現(xiàn)了一個重要結(jié)論：某些情況下，物理實(shí)驗(yàn)得到與理論上的自然規(guī)律（方程）不一樣的結(jié)果，那不一定是“違背了規(guī)律”，而是因?yàn)榉匠堂枋龅氖且话闱樾危覀冇^察到的物理世界只是方程的一個解。這個解是方程整體對稱性自發(fā)破缺后的結(jié)果。
如前所述的規(guī)范理論中粒子質(zhì)量都為0，不符現(xiàn)實(shí)客觀，當(dāng)引入了自發(fā)對稱破缺概念后，粒子的質(zhì)量就可能是來自于自發(fā)對稱破缺。這就是希格斯機(jī)制的想法。
希格斯機(jī)制首先假設(shè)所有粒子都沒有質(zhì)量，這些粒子構(gòu)造出漂亮的規(guī)范場理論，然后再從規(guī)范理論之外去尋找一種方法，給所有的粒子加上它應(yīng)該有的質(zhì)量。于是，“產(chǎn)生質(zhì)量”的各種方案應(yīng)運(yùn)而生。這其中最簡單的、大多數(shù)人最喜歡的一種便是在1964年由三組研究人員獨(dú)立提出的希格斯機(jī)制。
也不是一定要由Higgs粒子來提供質(zhì)量，還可以有別的方法。例如，根據(jù)愛因斯坦相對論所得出的質(zhì)能關(guān)系：E = mc2，質(zhì)量和能量是互相聯(lián)系的。所以可以認(rèn)為質(zhì)量的一部分來源于能量。不過，這些質(zhì)量與Higgs粒子沒有一毛錢的關(guān)系。
質(zhì)量的來源
從愛因斯坦的質(zhì)能方程看，設(shè)想一個無質(zhì)量的盒子，其中充滿了不停地從四壁來回反射的光子。光子及盒子都沒有靜止質(zhì)量，但由于光子帶有總能量E，因而整個盒子可以有與能量相對應(yīng)的質(zhì)量m=E/c2。
實(shí)際上，質(zhì)子質(zhì)量的絕大部分可能就是來源于與上述光子盒類似的機(jī)制。質(zhì)子的靜止質(zhì)量為938MeV，組成質(zhì)子的三個夸克的總質(zhì)量僅為11MeV，剩余的927 MeV的質(zhì)量從何而來，有可能就來源于強(qiáng)相互作用的傳遞粒子“膠子”。雖然膠子和光子一樣沒有靜止質(zhì)量，但質(zhì)子中的許多膠子在一起運(yùn)動并發(fā)生相互作用會具有束縛能，也許這便是質(zhì)子中絕大部分質(zhì)量的來源。
希格斯機(jī)制能賦予粒子質(zhì)量的基本道理是：空間中存在某種場，場與在其中運(yùn)動的粒子相互作用，這種相互作用便可以改變運(yùn)動粒子的能量，從而賦予粒子以相應(yīng)的“質(zhì)量”。
場的真空態(tài)是能量最低的狀態(tài)。一般來說，能量最低的狀態(tài)對應(yīng)于場強(qiáng)為0。但如果場的勢能曲線比較特別，比如通常所謂的“墨西哥帽子”勢能曲線（見圖），這時能量最低的狀態(tài)是無限簡并的，如同墨西哥帽一樣是向下凹的一圈。這一圈的能量最低，但場強(qiáng)卻不為0。希格斯場的真空態(tài)便可以由這種勢能曲線描述的系統(tǒng)產(chǎn)生“自發(fā)對稱破缺”而得到，就像圖中所畫的小球無法停在能量較高的不穩(wěn)定位置那樣，最后朝一邊滾下到谷底某一點(diǎn)的情形。因此，希格斯機(jī)制假設(shè)真空中存在著場強(qiáng)非零的、穩(wěn)定的希格斯場。這種場無處不在，無孔不入，質(zhì)量為零的各種基本粒子身陷其中并與希格斯場相互作用，從而獲得它應(yīng)該具有的質(zhì)量。
按照現(xiàn)代場論的觀點(diǎn)，場的激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子。希格斯場的真空態(tài)有4種激發(fā)模式，其中沿著勢能曲線對稱軸繞圈的相位變化模式有3種，對應(yīng)于3種質(zhì)量為0的Goldstone粒子，這些粒子在與其它粒子反應(yīng)時消失不見，叫做被“吃”掉了，只有一種沿著勢能曲線“徑向”振動的激發(fā)模式對應(yīng)于有質(zhì)量的場粒子，也就是被大家稱之為“上帝粒子”的希格斯粒子。
希格斯粒子解決了質(zhì)量的起源問題，物理學(xué)家們得以在規(guī)范場的基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)模型理論，將除了引力之外的其它三種力統(tǒng)一在同一個模型中。標(biāo)準(zhǔn)模型包括了61種基本粒子，而希格斯粒子是這些粒子中最后一個被“發(fā)現(xiàn)”的。因此，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)是驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的一個重要里程碑。
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