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希格斯玻色子
來源:互聯網

希格斯玻色子(英語:Higgs boson)是標準模型里的一種基本粒子,有時也稱為希格斯粒子,是一種玻色子,自旋為零,宇稱為正值,不帶電荷、色荷,極不穩定,生成后會立刻衰變。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發,希格斯場是一種滲透空間的場,并通過與它們相互作用賦予所有基本亞原子粒子以質量。希格斯玻色子是粒子物理中最重要的一個粒子,它給了整個物質世界“質量”。有了它,科學家才能追溯電子、質子等所有這些基本粒子的質量的來源。

根據希格斯機制基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。如果希格斯玻色子被證實存在,則希格斯場應該也存在,而希格斯機制也可被證實。1964 年,彼得·希格斯(P.W.Higgs)提出了希格斯機制,并預言了希格斯玻色子(Higgs boson)的存在,為基本粒子中質量的起源和希格斯場是否是正確提供了一個可檢驗的假設。

經過40多年的探索,2012年,該粒子被日內瓦的歐洲核子中心(CERN)的一個大型加速器——大型強子對撞機(LHC)證實存在。安裝在大型強子對撞機上的兩臺大型粒子對撞探測器CMS和Atlas所獲得的數據被共同用于構建希格斯玻色子的最新圖景。彼得·希格斯 (Peter Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒特 (Fran?ois Englert) 因其理論預測而榮獲2013年諾貝爾物理學獎。在媒體中,希格斯玻色子有時被稱為“上帝粒子”,以諾貝爾獎獲得者萊昂·萊德曼(Leon Lederman)1993年出版的《上帝粒子》一書命名。

概述

標準粒子模型

粒子物理學里,標準模型是一種被廣泛接受的框架,可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。除了引力以外,標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。

現行主流的粒子物理標準模型給出了十七種最小的基本粒子,分別是六種夸克、六種輕子、傳遞電磁相互作用的光子、傳遞強相互作用膠子、傳遞弱相互作用的兩種粒子、賦予粒子裸質量的希格斯玻色子。標準模型已經統一了強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。

希格斯玻色子

希格斯玻色子是希格斯場的場量子化激發,希格斯場是一種滲透空間的場,并通過與它們相互作用賦予所有基本次原子粒子以質量。在標準模型中,希格斯場是一個標量超速子場,并且在某些配置中必須經歷對稱性破壞。它由四個分量組成:兩個中性分量場和兩個帶電分量場。帶電分量和中性場之一都是戈德斯通玻色子,它們充當大質量W+、W?和Z玻色子的縱向第三極化分量。剩余中性分量的量子對應于(理論上實現為)大質量希格斯玻色子。

1960年,自發對稱性破缺的概念被引入粒子物理學。假定夸克與反夸克的質量為零,則生成它們的能量成本很低,如同電子們在超導體里凝聚為庫珀對,它們會在真空里凝聚為夸克對,使得強相對作用的手征對稱性被打破,夸克會因此獲得質量。該機制里,還會出現一種新的零質量玻色子,即π介子,由于上夸克下夸克的質量不等于零,π介子的實際質量不等于零,只是比其他種介子的質量都輕很多。

希格斯機制

希格斯機制中,希格斯場引起自發對稱性破缺基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發,它通過自相互作用而獲得質量,假若希格斯玻色子被證實存在,則希格斯場也應該存在,從而希格斯機制也被證實。一般而言,場論中自發對稱性破缺,由于所謂的戈德斯通機制,會產生無質量的標量粒子。

在希格斯機制中,希格斯場的基態等效地變為了這些物質粒子的質量參數。通俗地說,希格斯場給予了基本粒子質量。溫伯格(Weinberger)與薩拉姆(Salam)的電弱統一與自發對稱性破缺模型,加上描述強相互作用量子色動力學,構成了粒子物理的標準模型。從理論基礎上看,希格斯機制是電弱相互作用統一的關鍵一步。

研究歷史

希格斯場的提出

1950年,俄羅斯物理學者維塔利·金茨堡(Vitaly Ginzburg)與列夫·達維多維奇·朗道(Lev Landau)提出金茲堡-朗道理論,在該理論中他們提出,在超導體里可能存在一種特別的場,能夠使得光子獲得有效質量,但他們沒有描述這種場的具體信息。

1954年,楊振寧與羅伯特·米爾斯(Robert)共同提出了楊-米爾斯理論,但是規范場論預測規范玻色子的質量必須為零,而零質量玻色子傳遞的是類似電磁力的長程力,不適用于像弱核力或強核力一類的短程力。

1957年,約翰·巴丁(John Bardeen)、利昂·庫珀(Leon N. Cooper)、施里弗(John Schrieffer)共同創建了BCS理論,他們認為,由電子組成的庫珀對形成了這種特別的場。

1960年,南部陽一郎將自發對稱性破缺的概念引入粒子物理學。他建議,假定夸克與反夸克的質量為零,則生成它們的能量成本很低,如同電子們在超導體里凝聚為庫珀對,它們會在真空里凝聚為夸克對,使得強相對作用的手征對稱性被打破,夸克會因此獲得質量。他又指出,在這機制里,還會出現一種新的零質量玻色子,即π介子,由于上夸克下夸克的質量不等于零,π介子的實際質量不等于零,只是比其他種介子的質量都輕很多。

1962年,杰福瑞·戈德斯通(Jeffrey Goldstone)提出戈德斯通定理,對于這類零質量玻色子的性質給予描述。根據戈德斯通定理,當連續對稱性被自發打破后必會生成一種零質量玻色子,稱為戈德斯通玻色子。由于帶質量粒子比較難制成,因此粒子加速器必須使用很高的能量來碰撞制成帶質量粒子。

1963年,菲利普·安德森(Philip Anderson)發表論文指出,對于非相對論性的超導體案例,假若是規范對稱性被打破,則不一定會出現戈德斯通玻色子,根據他的進一步猜測,這機制應該可以加以延伸來處理相對論性案例,但他并沒有明確地給出一個相對論性案例。

1964年8月,恩格勒團隊發表了三頁論文,他們假定存在有復值標量場(即希格斯場),其數值在量子真空里不等于零,然后使用費曼圖方法演示出規范玻色子怎樣獲得質量。恩格勒團隊并沒有提到任何關于希子的信息。之后的物理學者們分別發表的三篇PRL論文,在《物理評論快報》50周年慶祝文獻里被公認為里程碑論文。三篇PRL論文中的兩篇(由希格斯和GHK撰寫)包含最終被稱為希格斯場的假設場及其假設量子希格斯玻色子的方程

1967年,物理學家Andrei?Sakharov提出,如果宇宙滿足幾個條件,就有可能演化出一個由物質主導的世界,其中一個條件便是自然界中的一種基本對稱性必須被打破,這種對稱性就是CP對稱性。CP是由電荷共軛(C)和宇稱(P)兩個分量的乘積給出的自然界的離散對稱性。

1971年,荷蘭物理學者馬丁努斯·韋爾特曼(Martinus J. G. Veltman)與杰拉德·特·胡夫特(Gerard 't Hooft)發表了兩篇論文,證明楊-米爾斯理論(一種非阿貝爾規范理論)可以被重整化,不論是對于零質量規范玻色子,還是對于帶質量規范玻色子。自此以后,物理學者開始接受這些理論,正式將這些理論納入主流。

1960年代的規范理論家專注于無質量矢量玻色子的問題,盡管大質量標量玻色子的隱含存在并不重要,但希格斯直接解決了這個問題。在GHK的論文中,玻色子是無質量的,并且與大質量狀態解耦。2009年和2011年的評論中,Guralnik指出,在GHK模型中,玻色子僅在最低階近似下是無質量的,但它不受任何約束并在高階下獲得質量,并補充說GHK論文是唯一一篇表明模型中沒有無質量的戈德斯通玻色子,并對一般希格斯機制進行了完整分析的論文。

低能量實驗設施可能無法找到希格斯玻色子,必須建造一座高能量粒子對撞機,同時還需要具有高亮度來確保搜集到足夠的碰撞數據。至2012年為止,它的附屬電腦設施,全球大型強子對撞機計算網格(Worldwide LHC Computing Grid)已處理了超過三百萬億(3×1014)個碰撞事件。這是全球最大的計算網格,隸屬于它的170個電算設施,分布在36個國家之中,這些電算設施以分布式計算的模式連結在一起。

最早大規模搜尋希格斯玻色子的實驗設施是歐洲核子研究組織的大型正負電子對撞機,它在1990年代開始運作,直到2000年為止,但它并沒有找到希格斯玻色子的確切存在證據。根據大型正負電子對撞機所收集到的數據,標準模型希子的質量下限被設定為114.4 GeV,置信水平95%。這意味著假若希子存在,則它應該會重于114.4?GeV/c2。

費米實驗室的兆電子伏特加速器繼承了先前搜尋希格斯玻色子的任務。1995年,費米實驗室發現了頂夸克,為了搜尋希格斯玻色子,實驗室設施的功能被大大提升。兆電子伏特加速器只能用于更進一步排除希格斯玻色子質量值域。從分析獲得的實驗數據,兆電子伏特加速器團隊得出希格斯玻色子質量在100-103GeV、147-180GeV以內,置信水平95%。在能量115–140GeV之間區域,超額事件的統計顯著性為2.5個標準差。但該結果仍舊未能達到5個標準差,因此不能夠作定論。

歐洲核子研究組織大型強子對撞機(LHC)的設計目標之一為能夠確認希格斯玻色子的存在。這是史上最復雜的科學設施之一。但在開啟測試后僅僅九天,該設施就由于磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷,發生磁體失超事件,造成50多個超導磁鐵被毀壞、真空系統被污染,整個運作被迫延遲了14個月,直到2009年11月才再度重新運作 。

2011年12月,LHC的兩個主要粒子探測器,ATLAS和CMS,已將希子的可能質量值域縮小至115-130GeV(ATLAS)與117-127 GeV (CMS)。另外,ATLAS在質量范圍125-126GeV探測到超額事件,統計顯著性為3.6個標準差,CMS在質量范圍124GeV探測到超額事件,統計顯著性為2.6個標準差。

發現希格斯玻色子

2012年,在全球上萬名科學家和工程師多年的努力下,希格斯玻色子被科學家利用日內瓦的歐洲核子中心(CERN)的一個大型加速器——大型強子對撞機(LHC)發現。物理學家與世界上最大的原子粉碎機——歐洲的大型強子對撞機(LHC)——合作,當他們報告說他們發現了一個粒子時,引起了轟動,這個粒子似乎是人們尋找已久的希格斯玻色子,這是他們標準粒子和力模型中最后一個缺失的部分。這些研究人員報告說,該粒子確實具有標準模型希格斯玻色子的基本預測特性,從而確定了這一特性。

從發現了這種新粒子以來,大型強子對撞機(LHC)——位于日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室(CERN)——一直非常小心地將這種新粒子描述為“類希格斯粒子”。最終歐洲核子研究中心稱該粒子為“希格斯玻色子”。

雖然還沒有完全確定,但目前的測量表明,這種新粒子沒有自旋(而不是它的1或2個量子單位)和正奇偶性,研究人員在意大利拉圖伊勒的一次會議上報告說:“這正是標準模型對希格斯玻色子的預測。”這些測量是由團隊獨立使用由大型強子對撞機提供的兩個大質量粒子探測器進行的,這兩個探測器被稱為ATLAS和CMS。2012年,這兩個團隊同時發現了希格斯粒子。他們現在分析的數據大約是當時分析的兩倍。

確認希格斯玻色子

2013年3月14日,歐洲核子研究組織公開確認:"緊湊μ子線圈小組與超環面儀器小組已對這粒子所擁有的自旋宇稱可能會產生的狀況仔細分析比較,這些都指向零自旋與偶宇稱(符合標準模型的兩個對于希子的基要判據)。這事實,再加上測量到的新粒子與其它粒子彼此之間的相互作用,這些證據表明這就是希格斯玻色子。

2014年,由丹麥哥本哈根大學英國芬蘭科學家組成的研究團隊對標準模型中最后一個未知參數——希格斯場萬有引力之間的耦合強度做出了限制。通過分析膨脹過程中保持穩定性所需的必要條件,推導出一個較低的界限值0.1,結合新結果,將耦合強度限制在0.1—1的范圍,接近其歷史估計值1/6。歷史估值1/6是希格斯-萬有引力零耦合時的數值,但這個值未必正確。

2023年,已經觀測到的CP破缺過程仍不足以解釋宇宙中物質-反物質的不對稱性,一定還存在其他的CP破缺的來源,而且它們很可能就隱藏在與希格斯玻色子有關的相互作用中。在對大型強子對撞機(LHC)第2次運行所得到的完整數據集開展的一項新分析中,為了尋找CP破缺的跡象,研究人員測試了希格斯玻色子與弱力的載力粒子(即W和Z玻色子)的相互作用。他們研究了希格斯玻色子衰變為兩個Z玻色子的過程,每個Z玻色子都能轉化為一對輕子(一個電子和一個正電子,或一個μ子和一個反μ子),因此最終得到四個帶電輕子。他們還研究了兩個W或Z玻色子結合產生希格斯玻色子的相互作用。在這種情況下,一個夸克和一個反夸克會與希格斯玻色子一同產生,并在探測器中產生粒子“噴注”。

這些相互作用是CP破缺的理想試驗場。當CP對稱守恒時,觀測到的噴注和輕子的行為模式應該是相同的。然而,當CP對稱破缺時,粒子和反粒子的行為就會不同。研究人員將在這些過程中檢測到的粒子的所有信息總結為一個數字——最優可觀測量。這個可觀測量的一個特殊特征是,其反粒子的測量值應該與粒子的測量值相等,但符號相反。如果一個過程是CP對稱守恒的,那么數據中最優可觀測量的平均值應該為0;如果CP破缺,均值就不會為0。

在新的分析中,研究人員使用最優可觀測量,直接為CP破缺的可能數量擬定了極限。他們還測量了在校正可能存在的任何實驗影響后,數據中每個最優可觀察量的出現頻率。這種測量使研究人員能夠以一種與模型無關的方式將數據與理論預測進行比較,并檢驗潛在理論假設的有效性。這是首次對希格斯玻色子衰變為四個輕子的測量,這種測量讓物理學家能以一種與模型無關的方式探測CP破缺的潛在跡象,它無需強烈依賴標準模型所預測的CP對稱之外的其他方面。

性質

基本性質

希格斯場的性質

在標準模型中,希格斯場是一個標量超速子場——標量意味著它不會在洛倫茲變換下變換,而超速場意味著場(但不是粒子)具有虛部質量,并且在某些配置中必須經歷對稱性破壞。它由四個分量組成:兩個中性分量場和兩個帶電分量場。帶電分量和中性場之一都是戈德斯通玻色子,它們充當大質量W+、W?和Z玻色子的縱向第三極化分量。剩余中性分量的量子對應于(理論上實現為)大質量希格斯玻色子。

按照目前的物理學模型,宇宙在大爆炸膨脹之后很快就會縮,膨脹持續不超過1秒。而宇宙沒有坍縮,部分原因是在膨脹過程中產生了希格斯玻色子,俗稱“上帝粒子”。以往研究表明,在早期宇宙中,希格斯場可能獲得足夠大的波動來克服能量障礙,使宇宙從標準真空態轉變為負能量真空態,而讓宇宙迅速坍縮。研究人員解釋說,希格斯場與萬有引力之間耦合得越強,波動就越大,最終引發關鍵性過渡,轉變成負能量真空態。據他們計算,在膨脹之后,只要耦合強度超過1,就會發生坍縮。

希格斯玻色子的性質

由于希格斯場是標量,因此希格斯玻色子沒有自旋。希格斯玻色子也是它自己的反粒子,是CP偶數,并且電荷和色電荷為零。果該質量在115到180GeV/c2 之間(與125GeV/c2 的經驗觀測一致),那么標準模型可以在能量尺度上一直有效,一直到普朗克尺度。它應該是標準模型中唯一一個即使在高能量下也能保持質量的粒子。許多理論家預計,基于標準模型不令人滿意的特性,標準模型之外的新物理學將在TeV尺度上出現。

大型強子對撞機無法直接測量希格斯玻色子的壽命,因為它非常短暫。根據預測的衰減寬度 4.07××10?3 GeV,預測為 1.5610?22 s。然而,它可以間接測量,基于比較從殼上生產途徑和更罕見的殼外生產途徑中發生的量子現象測量的質量,這些途徑來自通過虛擬光子 (H→γ*γ→llγ) 得出的達利茨衰變。使用這種技術,希格斯玻色子的壽命在 2021 年被初步測量為 1.2 - 4.6 x 10?22 s。

希格斯機制

在希格斯機制中,希格斯場引起自發對稱性破缺基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。它通過自相互作用而獲得質量。假若希格斯玻色子被證實存在,則希格斯場也應該存在,從而希格斯機制也被證實。

假希格斯機制產生的夸克質量很小,比如上夸克(up quark)和下夸克(down quark)的質量只有幾個MeV。所以含有兩個上夸克和一個下夸克的質子質量只有大約十幾個MeV。

量子場論指出,真空并非一無所有,而是含有處于能量最低態(稱為基態)的量子場。而有一類特殊的場稱為“標量場”,它可以被視為一種介質,充當真空的背景。標量場的能量最低態就是真空。而根據標量場勢能形狀的不同,真空也可以處于不同的相,這就好比水可以是液相也可以是氣相。

能量最低值位于標量場為零處,可以認為這是一種“氣態”的真空;能量最低值則位于標量場不等于零的地方,可以認為這是一種“液態”的真空。如果真空的標量場不為零的話,則粒子在真空中運動的時候會和真空相互作用,出現一定的“受阻滯”效應。反之,如果真空的標量場為零,則粒子的運動不會受到影響,粒子就是無質量的,就像人類在空氣中走路時感受不到阻礙一樣。

事實上,上面描述的就是所謂的希格斯機制希格斯場就是一種標量場,它的真空期望值不為零。而標準模型的基本粒子就是因為與希格斯場相互作用,才獲得了質量。希格斯場作為“水”所激發的波紋就是希格斯玻色子,它早在1960年代就被物理學家預言,但遲至2012年才在歐洲的大型強子對撞機上被發現,并為理論提出者希格斯和恩格勒特贏得了2013年的諾貝爾獎

希格斯玻色子的制備

在希格斯粒子理論生效的條件下,希格斯粒子在對撞機中可以像研究的其他粒子一樣產生。這涉及將大量粒子加速到極高的能量和極接近光速的速度,然后讓它們粉碎在一起。在這些碰撞的極端能量下,偶爾會產生所需的深奧粒子,這是可以被探測和研究的;任何與理論期望的缺失或差異也可以用來改進理論。相關的粒子理論(在本例中為標準模型)將確定必要的碰撞和探測器類型。標準模型預測希格斯玻色子可以通過多種方式形成。

膠子融合

如果碰撞的粒子是強子,例如質子反質子——就像大型強子對撞機和Tevatron一樣——那么最有可能的是將強子結合在一起的兩個膠子碰撞在一起。產生希格斯粒子的最簡單方法是將兩個膠子結合形成一個虛夸克環。由于粒子與希格斯玻色子的耦合與其質量成正比,因此對于重粒子來說,這個過程更有可能發生。

希格斯玻色子軔致輻射

如果基本費米子與反費米子碰撞——例如,夸克與反夸克或電子正電子——兩者可以合并形成一個虛擬的W或Z玻色子,如果它攜帶足夠的能量,就可以發射希格斯玻色子。這個過程是LEP的主要生產模式,電子和正電子碰撞形成一個虛擬的Z玻色子,這是Tevatron對希格斯粒子生產的第二大貢獻。在大型強子對撞機上,這個過程只是第三大過程,因為大型強子對撞機將質子與質子碰撞,使得夸克反夸克碰撞的可能性低于Tevatron。Higgs Strahlung 也稱為相關生產。

弱玻色子聚變

當兩個(反)費米子碰撞時,另一種可能性是兩者交換一個虛擬的W或Z玻色子,它發出希格斯玻色子。碰撞費米子不需要是同一類型。因此,例如,上夸克可以用反下夸克交換Z玻色子。該過程是大型強子對撞機和LEP產生希格斯粒子的第二重要過程。

頂夸克融合

通常認為的最后一個過程是迄今為止最不可能的(兩個數量級)。這個過程涉及兩個碰撞的膠子,兩個膠子分別衰變為兩個頂夸克反頂夸克粒子對。然后,每對夸克和反夸克可以結合形成希格斯粒子。

希格斯玻色子的衰變

根據量子力學預測,如果一個粒子有可能衰變成一組較輕的粒子,那么它最終會衰變為其他粒子。希格斯玻色子發生這種情況的可能性取決于多種因素,包括:質量差異、相互作用強度等。這些因素中的大多數都由標準模型固定,除了希格斯玻色子本身的質量,對于質量為125 GeV/c2的希格斯玻色子,SM預測其平均壽命約為1.6×10?22 s。

希格斯衰變的一種方式是分裂成費米子-反費米子對。一般來說,希格斯粒子比輕費米子更容易衰變成重費米子,因為費米子的質量與其與希格斯粒子相互作用的強度成正比。

按照這個邏輯,最常見的衰變應該是頂夸克-反頂夸克對。然而,只有當希格斯粒子重于~346 GeV/c2,并且是頂夸克質量的兩倍時,才有可能衰變。對于質量為125 GeV/c2的希格斯粒子,SM預測最常見的衰變是變成底-反底夸克對,這種情況發生的可能性為57.7%。另一種情況下,希格斯粒子會分裂成一對大質量玻色子。最有可能的是希格斯粒子衰變成一對W玻色子,對于質量為125 GeV/c2的希格斯玻色子來說,發生的可能性約為21.5%。

2021年2月16日,據趣味科學網站報道,歐洲核子研究中心的科學家近日發現了希格斯玻色子衰變為兩個輕子(帶相反電荷的電子或μ子對)和一個光子——“達利茲衰變”的首個證據,這是研究人員在大型強子對撞機(LHC)上發現的最罕見的希格斯玻色子衰變之一,有助科學家發現新物理學。

相關理論

標準粒子模型

20世紀90年代,物理學家才基本確定了基本粒子家族的成員,包括輕子(如電子、中微子、μ子等)和夸克,以及能夠傳遞作用力的信使粒子(如傳遞電磁力的光子、傳遞強力的膠子等)。這便是所謂的“標準模型”(Standard Model)。

粒子物理學里,標準模型是一種被廣泛接受的框架,可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。除了引力以外,標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。

早期的標準模型所倚賴的規范場論闡明,基本力是源自于規范不變性,是由規范玻色子來傳遞。規范場論嚴格規定,規范玻色子必須不帶有質量,因此,傳遞電磁相互作用的規范玻色子(光子)不帶有質量。光子的質量的確經實驗證實為零。借此類推,傳遞弱相互作用的規范玻色子(W玻色子、Z玻色子)應該不帶有質量,可是實驗證實W玻色子與Z玻色子的質量不為零,這顯示出早期模型不夠完善,因此須要建立特別機制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質量。

現行主流的粒子物理標準模型給出了十七種最小的基本粒子,分別是六種夸克、六種輕子、傳遞電磁相互作用的光子、傳遞強相互作用膠子、傳遞弱相互作用的兩種粒子、賦予粒子裸質量的希格斯玻色子。隨著2013年大型強子對撞機(LHC)正式宣布發現希格斯玻色子,這十七種最小粒子都得到了實驗驗證,并且在現階段大家都普遍接受它們是不可再分的最小的基本粒子。標準模型已經統一了強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。還有一種粒子叫引力子,負責傳遞引力,目前尚僅存在于理論中,還沒有被實驗證實。

自發對稱性破缺

在宏觀世界中,自發對稱性破缺其實并不罕見。室溫下磁鐵基態有自發磁化,一根條形磁鐵一端N極,一端S極,兩端的極性破壞了條形磁鐵的對稱性。注意電磁相互作用本身不破壞對稱性,但條形磁鐵的基態有兩個,體系選擇其中一個基態,自發地破壞了對稱性。在量子場論中,類似于磁鐵的模型,一個所謂的標量場可能也有多個基態,那么物理體系的基態選擇自發地破壞了對稱性。

一般而言,場論中自發對稱性破缺,由于所謂的戈德斯通機制,會產生無質量的標量粒子。如此構造粒子物理模型,雖然把電磁相互作用、弱相互作用都引入到了楊—米爾斯理論的框架,但無質量的標量粒子從來沒有在實驗上發現過,這依然是理論上的疑難。希格斯機制最終解決了這個疑難:本來無質量的規范玻色子吸收“吃掉”了自發對稱性破缺產生的無質量的標量粒子。這樣消除了無質量標量粒子,同時又賦予了弱相互作用規范玻色子質量,說明了弱相互作用是一種弱的短程力。

上帝粒子

1988年諾貝爾物理學獎獲得者利昂·萊德曼(Leon Max Lederman)為這種賦予萬物質量的粒子起了一個這樣的名字。萊昂·萊德曼(Leon Lederman)將希格斯玻色子作為粒子物理學探索歷程中的一個里程碑。他曾任美國費米實驗室主任,主導了超導超級對撞機項目,目的就是尋找希格斯玻色子。利昂·萊德曼曾著有粒子物理方面的科普書籍《上帝粒子》。萊德曼說他以“上帝粒子”為這粒子命名是因為這粒子“在當今物理學中處于極為中心的位置,對我們理解物質的結構極為關鍵、也極為難以捉摸”。

然而,許多科學家卻不喜歡上帝粒子這一稱呼,因為它過分強調了這粒子的重要性和教化。而且即使這粒子被發現,物理學者仍舊無法回答一些關于強相互作用、電弱相互作用、引力相互作用的統一化問題,以及宇宙的起源問題。

2009年,英國的《》開展了一個重新為上帝粒子命名的活動,并最終從提交的命名中選擇了“香檳酒瓶玻色子”( bottle boson)作為最佳命名。“香檳酒瓶的瓶底正好是希格斯勢的形狀,而且它常常在物理講座中被用來作為圖解。

研究意義

希格斯玻色子的發現具有里程碑意義,希格斯玻色子值得仔細審視,研究它的粒子內稟屬性,研究它和其余基本粒子的耦合,研究它背后希格斯機制的自洽性(如雙玻色子散射過程),以及研究它和新物理(如暗物質)的關聯等。希格斯物理研究成為當下粒子物理學的一個核心方向。從2012年的8 TeV 對撞質心能量往后,LHC的質子—質子對撞能量繼續提高到13—13.6 TeV,創造了新的世界紀錄。十年后的今天,獲得的希格斯粒子數目相較2012年增長了近15倍,科學家們相繼驗證了它的標量粒子特性、它與一系列基本粒子(頂夸克底夸克、Z玻色子、W玻色子、陶輕子、繆子)的耦合,并將一些主要希格斯過程的測量精度提升至10%。

科學家們大體已經認可了這個希格斯玻色子確實是標準模型需要的粒子。希格斯物理研究的未來或許會更加多樣化:繼續探索LHC實驗上可觀的希格斯過程,精確檢驗標準模型預言;充分利用LHC實驗數據探索稀有希格斯物理過程,如希格斯玻色子與更輕費米子耦合、其自耦合,以及其不可見衰變等,并揭示其與新物理現象的關系;未來科學們將探索希格斯玻色子在宇宙演化、真空電弱相變中的作用,探討可能的互補實驗觀測等等。

參考資料 >

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王貽芳院士:掌握這關鍵的3點,就能很好地欣賞科學.微信公眾平臺.2023-11-06

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基本粒子物理學未來展望.微信公眾平臺.2023-11-30

希格斯玻色子發現簡史.微信公眾平臺.2023-12-01

如何在早期宇宙的濃湯中烹調出原初黑洞.微信公眾平臺.2023-11-23

“上帝粒子”發現10周年,讓我們回憶一下這位給它起名的物理巨人.微信公眾平臺.2023-11-23

What should we know about the Higgs particle?.atlas.cern.2023-11-30

神秘的質子內部世界.微信公眾平臺.2023-11-08

Just a moment....science.2023-11-23

New results indicate that new particle is a Higgs boson.cern.2023-11-23

看清“上帝粒子”真面目:重現宇宙開端景象.微信公眾平臺.2023-11-30

Anything but the God particle.Archived.2023-11-30

地球會漏氣嗎?| No.331.微信公眾平臺.2023-11-08

希格斯玻色子發現十周年|漫談希格斯粒子.澎湃新聞.2023-12-14

journals.Archived.2023-11-30

探索自然界的基本對稱性.微信公眾平臺.2023-11-30

..2023-11-23

Welcome to the Worldwide LHC Computing Grid.cern.2023-11-30

What is the Worldwide LHC Computing Grid? (Public 'About' page).lcg-archive.2023-11-30

Tevatron scientists announce their final results on the Higgs particle.archive.2023-11-30

Updated Combination of CDF and D0 Searches for Standard Model Higgs Boson Production with up to 10.0 fb-1 of Data.arxiv.2023-11-30

INTERIM SUMMARY REPORT ON THE ANALYSIS OF THE 19 SEPTEMBER 2008 INCIDENT AT THE LHC .cern.2023-11-30

CERN reports on progress towards LHC restart.cern.2023-11-30

Detectors home in on Higgs boson.nature.2023-11-30

宇宙因膨脹產生“上帝粒子”而沒有坍縮.微信公眾平臺.2023-11-30

At Long Last, The Higgs Particle... Maybe.npr.2023-11-30

STATUS OF HIGGS BOSON PHYSICS.archive.2023-11-30

Life of the Higgs boson.Archived.2023-11-30

ATLAS finds evidence of a rare Higgs boson decay.cern.2023-11-30

.Why does the Higgs decay?. Archived .2023-11-30

HIGGS BOSONS: THEORY AND SEARCHES.archive.2023-11-30

罕見希格斯玻色子衰變首證發現 有助研究新物理學.中新網.2021-02-18

揭秘“上帝粒子”:為何它與萬有引力、進化論、DNA雙螺旋結構一樣重要 | 直播預告.微信公眾平臺.2023-11-08

Leon M. Lederman and Dick Teresi. The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question..archive.2023-11-30

Ian Sample. Higgs competition: Crack open the bubbly, the God particle is dead. .theguardian.2023-11-30

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