希格斯機(jī)制是一種在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中生成質(zhì)量的機(jī)制，它解釋了為什么某些基本粒子如費(fèi)米子、W玻色子和Z玻色子具有質(zhì)量，而光子和膠子則沒(méi)有。希格斯機(jī)制通過(guò)自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺的過(guò)程，賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量，是所有可能機(jī)制中最簡(jiǎn)單的一種。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
在標(biāo)準(zhǔn)模型里，希格斯機(jī)制（英語(yǔ)：Higgs mechanism）是一種生成質(zhì)量的機(jī)制，能夠使基本粒子獲得質(zhì)量。為什么費(fèi)米子、W玻色子、Z玻色子具有質(zhì)量，而光子、膠子的質(zhì)量為零。希格斯機(jī)制可以解釋這問(wèn)題。希格斯機(jī)制應(yīng)用自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺來(lái)賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量。在所有可以賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量，而同時(shí)又遵守規(guī)范理論的可能機(jī)制中，這是最簡(jiǎn)單的機(jī)制。根據(jù)希格斯機(jī)制，希格斯場(chǎng)遍布于宇宙，有些基本粒子因?yàn)榕c希格斯場(chǎng)之間相互作用而獲得質(zhì)量。
更仔細(xì)地解釋?zhuān)?a href="/hebeideji/6244125679043040868.html">規(guī)范場(chǎng)論里，為了滿足定域規(guī)范不變性，必須設(shè)定規(guī)范玻色子的質(zhì)量為零。由于希格斯場(chǎng)的真空期望值不等于零，造成自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，因此規(guī)范玻色子會(huì)獲得質(zhì)量，同時(shí)生成一種零質(zhì)量玻色子，稱(chēng)為戈德斯通玻色子，而希格斯玻色子則是伴隨著希格斯場(chǎng)的粒子，是希格斯場(chǎng)的振動(dòng)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)范，戈德斯通玻色子會(huì)被抵銷(xiāo)，只存留帶質(zhì)量希格斯玻色子與帶質(zhì)量規(guī)范矢量場(chǎng)。
費(fèi)米子也是因?yàn)榕c希格斯場(chǎng)相互作用而獲得質(zhì)量，但它們獲得質(zhì)量的方式不同于W玻色子、Z玻色子的方式。在規(guī)范場(chǎng)論里，為了滿足定域規(guī)范不變性，必須設(shè)定費(fèi)米子的質(zhì)量為零。通過(guò)湯川耦合，費(fèi)米子也可以因?yàn)樽园l(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺而獲得質(zhì)量。
本條目的數(shù)學(xué)表述內(nèi)容需要讀者了解一些量子場(chǎng)論的知識(shí)。所有方程都遵守阿爾伯特·愛(ài)因斯坦求合約定。按照粒子物理學(xué)慣例，采用CGS單位制為物理量的單位，并且設(shè)定光速與約化普朗克常數(shù)的數(shù)值為1。
發(fā)展歷史
1964年，分別有三組研究小組幾乎同時(shí)地獨(dú)立研究出希格斯機(jī)制，其中，一組為弗朗索瓦－恩格勒和羅伯特·布繞特，另一組為彼得·希格斯，第三組為杰拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾。古拉尼于1965年、希格斯于1966年又各自更進(jìn)一步發(fā)表論文探討這模型的性質(zhì)。這些論文表明，假若將規(guī)范不變性理論與自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺的概念以某種特別方式連結(jié)在一起，則規(guī)范玻色子必然會(huì)獲得質(zhì)量。1967年，斯蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆首先應(yīng)用希格斯機(jī)制來(lái)打破電弱對(duì)稱(chēng)性，并且表述希格斯機(jī)制怎樣能夠并入稍后成為標(biāo)準(zhǔn)模型一部分的格拉肖的電弱理論。
六位物理學(xué)者分別發(fā)表的三篇論文，在《物理評(píng)論快報(bào)》50周年慶祝文獻(xiàn)里被公認(rèn)為里程碑論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學(xué)櫻井獎(jiǎng)。因?yàn)椤?a href="/hebeideji/5309256603650247644.html">次原子粒子質(zhì)量的生成機(jī)制理論，促進(jìn)了人類(lèi)對(duì)這方面的理解，并且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的超環(huán)面儀器及緊湊μ子線圈探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的基本粒子證實(shí)”，恩格勒、希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺
量子力學(xué)的真空與一般認(rèn)知的真空不同。在量子力學(xué)里，真空并不是全無(wú)一物的空間，虛粒子會(huì)持續(xù)地隨機(jī)生成或湮滅于空間的任意位置，這會(huì)造成奧妙的量子效應(yīng)。將這些量子效應(yīng)納入考量之后，空間的最低能量態(tài)，是在所有能量態(tài)之中，能量最低的能量態(tài)，又稱(chēng)為基態(tài)或“真空態(tài)”。最低能量態(tài)的空間才是量子力學(xué)的真空。
設(shè)想某種對(duì)稱(chēng)群變換，只能將最低能量態(tài)變換為自己，則稱(chēng)最低能量態(tài)對(duì)于這種變換具有“不變性”，即最低能量態(tài)具有這種對(duì)稱(chēng)性。盡管一個(gè)物理系統(tǒng)的拉格朗日量對(duì)于某種對(duì)稱(chēng)群變換具有不變性，并不意味著它的最低能量態(tài)對(duì)于這種對(duì)稱(chēng)群變換也具有不變性。假若拉格朗日量與最低能量態(tài)都具有同樣的不變性，則稱(chēng)這物理系統(tǒng)對(duì)于這種變換具有“外顯的對(duì)稱(chēng)性”；假若只有拉格朗日量具有不變性，而最低能量態(tài)不具有不變性，則稱(chēng)這物理系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性被自發(fā)打破，或者稱(chēng)這物理系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性被隱藏，這現(xiàn)象稱(chēng)為“自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺”。
如墨西哥帽繪圖所示，假設(shè)在墨西哥帽的帽頂有一個(gè)圓球。這個(gè)圓球是處于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性狀態(tài)，對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，圓球的位置不變。這圓球也處于局部最大引力勢(shì)的狀態(tài)，極不穩(wěn)定，稍加微擾，就可以促使圓球滾落至帽子谷底的任意位置，因此降低至最小引力勢(shì)位置，使得旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性被打破。盡管這圓球在帽子谷底的所有可能位置因旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性而相互關(guān)聯(lián)，圓球?qū)嶋H實(shí)現(xiàn)的帽子谷底位置不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性──對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，圓球的位置會(huì)改變。在帽子谷底有無(wú)窮多個(gè)不同、簡(jiǎn)并的最低能量態(tài)，都具有同樣的最低能量。對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，會(huì)將圓球所處的最低能量態(tài)變換至另一個(gè)不同的最低能量態(tài)，除非旋轉(zhuǎn)角度為360°的整數(shù)倍數(shù)，所以，圓球的最低能量態(tài)對(duì)于旋轉(zhuǎn)變換不具有不變性，即不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。總結(jié)，這物理系統(tǒng)的拉格朗日量具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，但最低能量態(tài)不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，因此出現(xiàn)自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺現(xiàn)象。
標(biāo)準(zhǔn)模型
在標(biāo)準(zhǔn)模型里，假若溫度足夠高，物理系統(tǒng)的電弱對(duì)稱(chēng)性沒(méi)有被打破，則所有基本粒子都不具有質(zhì)量。當(dāng)溫度降到低于臨界溫度，希格斯場(chǎng)會(huì)變得不穩(wěn)定，會(huì)躍遷至最低能量態(tài)，即量子力學(xué)的真空，整個(gè)物理系統(tǒng)的連續(xù)對(duì)稱(chēng)性因此被自發(fā)打破，W玻色子、Z玻色子、費(fèi)米子也因此會(huì)獲得質(zhì)量。
參閱
希格斯玻色子的實(shí)驗(yàn)探索。
探尋希格斯玻色子時(shí)間軸。
參考資料 >