帶你認(rèn)識(shí)“上帝粒子”

■肖梅文

“上帝粒子”又叫希格斯玻色子，是由英國(guó)人希格斯等物理學(xué)家在上世紀(jì)60年代提出的一種基本粒子，被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源。科學(xué)家們?nèi)栽谂ふ移溘欅E，找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石。

定義

希格斯玻色子（或稱“上帝粒子”、希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。它也是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學(xué)家希格斯提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起自發(fā)對(duì)稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng)量子化激發(fā)，它通過(guò)自相互作用而獲得質(zhì)量。

希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼對(duì)希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學(xué)家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個(gè)粒子物理學(xué)界研究的中心，萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。

標(biāo)準(zhǔn)模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一描述，但是在能量低于一定條件后，電磁相互作用和弱相互作用將呈現(xiàn)為不同的相互作用，這被稱為電弱相互作用的對(duì)稱性自發(fā)破缺。希格斯粒子就是在標(biāo)準(zhǔn)模型解釋電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺的機(jī)制時(shí)引入的。

研究歷史

英國(guó)物理學(xué)家希格斯（P·W·Higgs）提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起電弱相互作用的對(duì)稱性自發(fā)破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范玻色子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng) 量子化激發(fā)，它通過(guò)自相互作用而獲得質(zhì)量。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(Large Hadron Collider，簡(jiǎn)稱LHC)將有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。

自1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開(kāi)始，直至如今，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，人類一直孜孜不倦的探索著微觀世界的奧秘。1995年3月2日，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室向全世界宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時(shí)，一套稱之為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)模型所預(yù)言的62個(gè)基本粒子中的61個(gè)都已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，看上去標(biāo)準(zhǔn)模型馬上就要獲得決定性的勝利，對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了它的尾聲，似乎人類也馬上就要聽(tīng)到這一跌宕起伏的，充滿了高潮與華彩的探索樂(lè)章的終曲，但是仍然有一個(gè)粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個(gè)幽靈，這就是希格斯粒子，而且就是這個(gè)粒子可能會(huì)擊垮整座大廈。但是也許會(huì)為我們揭示出一條全新的探索旅途。就讓我們先來(lái)回顧一下上個(gè)世紀(jì)中期以來(lái)粒子物理學(xué)的發(fā)展歷史，以及現(xiàn)在處于主流的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。

電弱統(tǒng)一理論從建立到獲得成功，其中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是對(duì)稱自發(fā)破殘?jiān)硗茰y(cè)出來(lái)的希格斯玻色子，用它來(lái)解釋電弱統(tǒng)一理論中的W+1、W-1、Z0玻色子非零質(zhì)量的獲得機(jī)制。但到如今，電弱統(tǒng)一理論已經(jīng)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)從而得到大家普遍的承認(rèn)，而作為電弱統(tǒng)一理論基礎(chǔ)的希格斯玻色子（X0）仍然沒(méi)有在大家的視野中揭開(kāi)它神秘的面紗，這個(gè)難題一直以來(lái)都困擾著所有從事基本粒子研究的愛(ài)好者們。雖說(shuō)到現(xiàn)在為止還沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，但很多實(shí)驗(yàn)表明了電弱統(tǒng)一理論是完全正 確的，這使得人們相信它必然存在，發(fā)現(xiàn)它只是時(shí)間的問(wèn)題。但是科學(xué)是一門(mén)以事實(shí)說(shuō)話的學(xué)問(wèn)，不是大家想當(dāng)然的就能解決的問(wèn)題。因此找到一種合乎自然辯證邏輯的理論是解釋現(xiàn)象的關(guān)鍵。

為了修補(bǔ)上述理論的缺陷，英國(guó)物理學(xué)家希格斯提出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的場(chǎng)中，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。之后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于標(biāo)準(zhǔn)模型之下。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。

相關(guān)理論

科學(xué)家們建立起被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)理論，它把基本粒子分成3大類：夸克、輕子與玻色子。標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，就是該模型無(wú)法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。在本質(zhì)上，這個(gè)場(chǎng)就像一池黏黏的蜜糖，除了非質(zhì)量的基本粒子，通過(guò)此場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)將粒子轉(zhuǎn)變成帶有質(zhì)量的粒子，就像是原子的成分。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯粒子包含了兩個(gè)中性與兩個(gè)帶電成分的區(qū)域。兩個(gè)帶電和一個(gè)中性區(qū)域皆是Goldstone玻色子，是縱向三極化分量帶質(zhì)量的W+、W-和Z玻色子。

維持中性成分的量子對(duì)應(yīng)到具有質(zhì)量的希格斯粒子。既然希格斯場(chǎng)是一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，希格斯粒子沒(méi)有自旋，也就沒(méi)有內(nèi)在的角動(dòng)量。標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)有預(yù)測(cè)希格斯玻色子的質(zhì)量。如果質(zhì)量在115和180 GeV/c2之間，則標(biāo)準(zhǔn)模型的能量等級(jí)可以有效直到普朗克尺度（1016 TeV）。

許多理論學(xué)家預(yù)測(cè)新的物理學(xué)會(huì)建構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)模型之上能量在TeV的尺度，基于不足的標(biāo)準(zhǔn)模型性質(zhì)。希格斯粒子(或其他的電弱對(duì)稱機(jī)制)可能的最大質(zhì)量是1.4 TeV；除了這一點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)模型變的不相容，因?yàn)榻y(tǒng)一性違反了一些散射的過(guò)程。許多超對(duì)稱性的模型預(yù)測(cè)出最輕的希格斯粒子的質(zhì)量比現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)在高一點(diǎn)，大約120 GeV或者更低。

“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”（LHC）

最新研究進(jìn)展

“上帝粒子”就像神話中的獨(dú)角獸一樣難覓影蹤。盡管科學(xué)家們?nèi)栽谂ふ移溘欅E，但致力于此項(xiàng)研究的歐洲核子研究中心近日表示，一些跡象表明，這種粒子也許真不存在，只是人們的“幻想”。

該機(jī)構(gòu)日前已經(jīng)向在印度孟買(mǎi)召開(kāi)的相關(guān)研討會(huì)提交了報(bào)告，稱近來(lái)通過(guò)其大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)找到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都對(duì)找到希格斯玻色子的蹤跡 “意義不大”。與此同時(shí)，該中心許多科學(xué)家也認(rèn)為“希格斯玻色子不存在”的可能性越來(lái)越大。

在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，總共預(yù)言了62種基本粒子，其中61種都已被驗(yàn)證，唯獨(dú)希格斯玻色子始終游離在物理學(xué)家的視野之外。找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石，如證明它不存在，整座大廈就要被推倒重建。

歐洲核子研究中心研究主任塞爾希奧·貝托盧奇說(shuō)：“如果希格斯玻色子真的不存在，那么它的缺位將使人們的目光轉(zhuǎn)向‘新物理學(xué)’。”

此前，許多世界頂級(jí)物理研究機(jī)構(gòu)曾試圖通過(guò)對(duì)撞試驗(yàn)尋找希格斯玻色子，但都沒(méi)有成功。美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家今年7月底發(fā)表報(bào)告說(shuō)，他們已大幅度縮小了希格斯玻色子的搜尋范圍。