希格斯玻色子的意义

希格斯玻色子的意义

　　作者：九维空间

　　这几天物理界最大的消息是发现了希格斯玻色子——或者，至少是0自旋，衰变产物等特性和希格斯玻色子一模一样的新粒子。这也是物理学在2012年最大的进展。判定这个粒子依据是：在质量125-126 G电子伏左右出现信号，置信度达到5个标准误差，意味着可信度大于99.99994% 。

　　为什么希格斯玻色子如此重要？主要有两个原因，第一个是它是标准模型中唯一还没有被发现的粒子，因为它的质量最大，以前加速器的能量都无法把它轰出来，只有LHC可以。第二个原因是它和电子，光子，夸克等我们耳熟能详的基本粒子不同，它是个奉献者，是其它粒子静质量的来源。

　　如果没有希格斯玻色子，世界会变成什么样？那样的世界里，由于没有静质量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在运动。由于基本粒子间传递相互作用的速度就是光速，于是意味着难以存在由夸克形成的稳定原子核。而电子若静质量为零，更意味着不可能形成原子，分子。这样，宇宙中便不会有出现各式各样的星球，更不会出现生命。

　　怎样比喻希格斯粒子给其它基本粒子提供质量的原理？希格斯粒子的发现完善了粒子物理的标准模型，标准模型的根基是量子场论，量子场论则是量子力学和狭义相对论的结合。在量子场论中，所有的粒子都是分布在全空间的场。场的最低能量状态叫“真空态”，随着能量的提高出现场的单粒子态，双粒子态，三粒子态等等。而这个“真空态”并不是一无所有，因为场的最低能量并不为零。希格斯场与其它所有基本粒子的场都不同的是，它在宇宙诞生那一刻，真空态经历了瞬间的破缺，变成现在这个样子。正是这个瞬间破缺给了每一种基本粒子静质量（光子和胶子除外）。

　　前天在欧洲核子中心（CERN）确认发现的希格斯玻色子，就是希格斯场经过真空对称性破缺后的产物，也可以说是希格斯场给了其它基本粒子静质量之后，剩下的那部分所对应的粒子。这部分还会跟很多粒子发生作用而产生衰变，所以能通过衰变产物来够探测到。当然，它不会再给基本粒子们静质量了，因为在宇宙创生之初已经给过了。

　　粒子世界里，自旋为整数的粒子称为玻色子，如光子，胶子的自旋都是1。自旋为半整数的粒子称为费米子，如电子，夸克，中微子的自旋都是1/2。希格斯粒子属于玻色子，因为他的自旋是0，这也是目前知道唯一自旋是0的玻色子。

　　希格斯玻色子是如何被理论上预言的？主要原因来自量子场论的两个成果，物理学家一开始并没有看出这两个成果的深刻联系。借用一句评书体：花开两朵，咱各表一支。第一支是和杨振宁先生密切相关的Yang-Mills理论，第二支是Goldstone定理。

　　杨振宁先生在物理学上最重要的贡献，并不是和李政道先生一起发现的宇称不守恒，当然更不是娶了个小他54岁的老婆。他最重要的贡献是50年代和Mills提出的Yang-Mills场论。Yang-Mills场论不允许有静质量的玻色子存在，而当时实验结果暗示传递弱相互作用的玻色子是有质量的，因此Yang-Mills场论未受重视。

　　另一方面，Jeffrey Goldstone 在1962年证明了量子场论中，一个真空态存在自发对称破缺的标量场（自旋=0的场），会伴随着一个质量，电荷，自旋都是零的粒子出现。自然界当然没有这种粒子，所以Goldstone定理一开始只被看成一个数学游戏。

　　Yang-Mills场论和Goldstone定理就这样同命相怜。时间很快到了1964年，量子场论出现了重大突破，Brout，Englert和Higgs等人的工作让前面这两个屌丝理论一夜之间合体成了高富帅理论。他们发现这两个理论是完美的互补！Yang-Mills场论通过某些限定条件（学名规范对称性）限制了玻色子的形式，希格斯（Higgs）等人证明这些玻色子和Goldstone定理中的对称破缺后标量场相互作用，会获得静质量，同时标量场剩余的部分就对应自旋为0但是有静质量的粒子。有些眼熟？没错，这就是希格斯机制和希格斯玻色子！

　　这就是希格斯机制的意义，同时挽救了Yang-Mills场论和Goldstone定理，一箭双雕，一石二鸟。之后进一步研究可以发现电子和夸克等费米子也能通过希格斯机制获得静质量。随后温伯格，萨拉姆，格拉肖三位物理学家通过希格斯机制实现了电磁相互作用和弱相互作用的统一，并因此获得1979年诺贝尔物理学奖。

　　粒子物理学的标准模型，就是包含希格斯机制的电弱统一理论，和描述强相互作用的量子色动力学（QCD）。而希格斯机制要求希格斯玻色子的存在。一旦找不到希格斯玻色子，那么标准模型就需要修改，物理学家必须给出其它的原因来解释Yang-Mills规范玻色子和费米子的质量来源，模型都比希格斯机制复杂。

　　7月4日公布的新粒子，CERN方面通过分析数据，说可以确定95%以上的可能性就是标准模型中的希格斯玻色子。作为标准模型中最后一个被实验发现的粒子，可以说这次发布的结果标志着标准模型的实验证据完善。但标准模型并不是物理世界的终极理论，因为他的基础——量子场论本身就不是终极的物理理论。

　　在更小的时空尺度下，基本粒子们所符合的可能是含有超对称的量子场论，而标准模型只是它在稍大尺度下的近似。如果时空尺度小到普朗克尺度之下，可能是超弦理论等含有引力的更深层次理论来主导这个世界。当然寻找相应的实验证据需要更大更贵，更耗能的加速器，甚至也许会超过人类文明的极限。

　　无论如何，人类还走在这条发现宇宙最基本单元的路上，LHC的下一个目标是验证超对称。超对称是费米子和玻色子之间的深层次的内在联系，它如果存在，基本粒子的数量会翻番，三维空间也不再会满足要求，超弦理论就是超对称和弦论的结合，它要求空间是九维甚至是十维。人类对空间的观念将会产生变革。

　　最后还要补充一下，媒体总用“上帝粒子”来代表希格斯玻色子，实际上诺贝尔物理学奖得主Lederman在其介绍希格斯玻色子科普书中，想把让物理学家头疼的希格斯玻色子起个外号“Goddamn particle”。出版商觉得不妥，遂改为“God particle”。也就是说，别以为希格斯玻色子和上帝真有什么关系。