“希格斯”的玻色子在量子真空中傳播的現(xiàn)象

【專家解說】：希格斯玻色子(或稱希格斯粒子、希格斯子、上帝粒子)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。英國物理學(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的場量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。說明在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測了希格斯利子是具有質(zhì)量的基本粒子。目前，沒有其他已知的基本量粒子的性質(zhì)。希格斯粒子是唯一在標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的粒子中還沒有被觀測到的。觀測希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)預(yù)期將可以幫助解釋宇宙萬物的質(zhì)量。希格斯粒子預(yù)期將是和無質(zhì)量光子(用來傳遞電磁作用力)、有質(zhì)量的W和Z玻色子(用來傳遞弱作用力)。如果希格斯粒子存在，它是一個(gè)完整的和普遍的組成部分物質(zhì)世界。在歐洲核能研究中心的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，在2009年12月20日正式啟用，被預(yù)期將可以提出實(shí)驗(yàn)證實(shí)希格斯粒子是否存在。另一方面，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室也企圖做實(shí)驗(yàn)去找到希格斯粒子，即使局限在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中的電子加速器的低能量。據(jù)報(bào)道，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)中的物理學(xué)家指出費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室可以找到希格斯粒子的機(jī)率大約為50%到96%，取決于希格斯粒子的質(zhì)量。希格斯機(jī)制，給了向量玻色子質(zhì)量，是由Fran??ois Englert 和 Robert Brout在1964年所建立的理論。同年十月Peter Higgs由Philip Anderson得到靈感;而且與Gerald Guralnik, C. R. Hagen, and Tom Kibble在1963年的春天所計(jì)算出的結(jié)果無關(guān)。這三篇關(guān)于此探討的論文分別由Guralnik、Hagen、 Kibble、 Higgs、 Brout 和 Englert所撰寫，被公認(rèn)為Physical Review Letters 50周年慶祝的里程碑。雖然這三篇有名的論文做了類似的研究，但其貢獻(xiàn)與之間的不同在1964 PRL Symmetry Breaking的論文中是值得注意的。這六個(gè)科學(xué)家對(duì)于理論粒子物理學(xué)的貢獻(xiàn)因此榮獲2010櫻井獎(jiǎng)。Steven Weinberg, Abdus Salam, 首先利用希格斯機(jī)制在電弱對(duì)稱性缺陷。電弱理論預(yù)測了中性粒子的質(zhì)量與W和Z玻色子有關(guān)。 希格斯粒子是理論的希格斯場中的量子成分。在真空中，希格斯粒子波函數(shù)的振幅不為零，也就是說，在真空中希格斯粒子有非零的期望值。在真空中非零期望值的存在扮演了一個(gè)基本的角色;它讓所有基本粒子擁有質(zhì)量，包含了希格斯粒子本身。特別的是，在得到了真空中具有非零期望值的結(jié)果，就自然的打破了電弱規(guī)范對(duì)稱，這是科學(xué)家經(jīng)常提到的希格斯機(jī)制。這是最簡單的機(jī)制可以給定規(guī)范玻色子質(zhì)量同時(shí)保持遵守規(guī)范理論。在本質(zhì)上，這個(gè)場就像一池黏黏的蜜糖，除了非質(zhì)量的基本粒子，通過此場的時(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。既然希格斯場是一個(gè)標(biāo)量場，希格斯粒子子沒有自旋，也就沒有內(nèi)在的角動(dòng)量。標(biāo)準(zhǔn)模型沒有預(yù)測希格斯玻色子的質(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程。許多超對(duì)稱性的模型預(yù)測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。Supersymmetric extensions of the Standard Model (SUSY)預(yù)測了整個(gè)希格斯粒子族群的存在。而不是單單一個(gè)希格斯粒子。其中在SUSY模型，在Minimal Supersymmetric extension (MSSM)中，希格斯機(jī)制產(chǎn)生了最小數(shù)目的希格斯粒子。