2013年諾貝爾物理學(xué)獎介紹：規(guī)范粒子質(zhì)量的起源

王 青

（清華大學(xué)物理系，北京 100084）

2013年10月8日，瑞典斯德哥爾摩時間中午12點45分（比預(yù)告的時間推遲了整整1個小時），諾貝爾獎委員會宣布2013年的諾貝爾物理學(xué)獎授給81歲的比利時物理學(xué)家Fran?ois Englert和83歲的英國物理學(xué)家Peter W.Higgs，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)亞原子粒子質(zhì)量起源的物理機(jī)制方面所做的杰出工作，這個機(jī)制被位于瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC上的ATLAS和CMS實驗發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子所證實.

1 諾獎的預(yù)兆

早在2000年，美國物理學(xué)會在粒子物理理論方面的櫻井獎（Sakulai Prize）就被授予了與本次諾獎關(guān)系最密切的幾位物理學(xué)家：Kibble，Guralnik，Hagen，Englert，Brout和Higgs.由于諾獎按慣例最多只能授予3人，著名理論物理學(xué)家Luis Alvarez－Gaume和John Ellis隨后在2011年1月的Nature Physics第7卷上發(fā)表評論文章，明確提出誰能最后獲得諾貝爾獎的問題.不幸的是，6人之中的Brout在2011年5月3日提前離開人世.Brout比Higgs年長一歲，他25歲就成為美國康奈爾大學(xué)的教師，6年后的1959年Englert成為Brout的博士后.1961年Brout隨Englert回到比利時布魯塞爾自由大學(xué)，并一直在那里工作直到去世.雖然他曾于2004年與Englert和Higgs一起分享Wolf物理學(xué)獎，并進(jìn)一步于2000年與其他5位物理學(xué)家榮獲櫻井獎，但終未等到最后的諾貝爾獎.

由于諾貝爾物理學(xué)獎的工作一定是被實驗所證實的，因此櫻井獎的工作能否最后被授予諾貝爾獎還要看實驗上進(jìn)展如何，也就是是否能夠最后真正發(fā)現(xiàn)Higgs粒子，因為Higgs粒子是確認(rèn)這些工作所提出的理論機(jī)制的最直接的證據(jù).實際上實驗物理學(xué)家尋找了這個粒子已經(jīng)有二十多年了，在粒子物理學(xué)界幾位理論物理專家特別為這個粒子編寫了名為《Higgs Hunter’s Guide》的探尋指導(dǎo)書，使得這個粒子享有了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中所有其他粒子都未曾享有的殊榮.獲1988年諾貝爾物理學(xué)獎的萊德曼教授為這個粒子專門寫過《God Particle》的科普介紹書（據(jù)說此書的原名叫《Goddamn Particle》翻譯成中文為“該死的粒子”，反映作者對持續(xù)找不到此粒子的憤懣情緒.編輯為避免不雅把英文Goddamn的后半部damn去掉就變成了現(xiàn)在的名字），使得在社會上“上帝粒子”聲名遠(yuǎn)揚.2011年《自然》雜志就“是否可能發(fā)現(xiàn)Higgs粒子”在部分著名理論物理學(xué)家中進(jìn)行了投票，信者、將信將疑者眾說紛紜.傳說霍金不相信能夠在實驗上發(fā)現(xiàn)Higgs粒子，為此還與美國密執(zhí)根大學(xué)的凱恩教授打賭100美元.2011年12月13日，歐洲核子中心宣布發(fā)現(xiàn)找到了Higgs粒子的跡象.2012年7月4日，歐洲核子中心正式宣布發(fā)現(xiàn)疑似的Higgs粒子.到2013年，物理學(xué)家們已經(jīng)確認(rèn)，所發(fā)現(xiàn)的就是尋找已久的Higgs粒子，疑似兩字被正式去掉了.

為什么發(fā)現(xiàn)Higgs粒子對此次諾獎工作那么重要？此次諾獎工作所涉及的亞原子粒子質(zhì)量起源的物理機(jī)制又是什么意思？我們以下按照歷史發(fā)展的順序作簡要介紹.

2 諾獎工作的背景

在亞原子范圍，目前人類能夠了解到的物質(zhì)最小組分是夸克、輕子、傳遞相互作用的規(guī)范粒子和新發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子.此次授予諾貝爾獎的工作最主要涉及的是規(guī)范粒子質(zhì)量起源，歷史上它因同時解決兩種零質(zhì)量粒子問題而誕生.

在20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們已經(jīng)了解到自然界基本組分間具有四種基本相互作用：引力作用、電磁作用、強(qiáng)作用和弱作用.在亞原子領(lǐng)域，引力作用十分微弱，因此通常不考慮它的效應(yīng).對電磁作用，那時人們已經(jīng)在量子場論的框架下建立了描述它的系統(tǒng)理論——量子電動力學(xué)，或叫U（1）阿貝爾規(guī)范理論.著名物理學(xué)家費曼編寫的《量子電動力學(xué)》一書就是在1962年首次出版的.剩下兩種相互作用——強(qiáng)作用和弱作用都被發(fā)現(xiàn)是只限制在原子核內(nèi)的短程作用，描述它們的量子場論碰到了很多嚴(yán)重的問題，導(dǎo)致在那個時代對量子場論的普遍不信任.正像物理學(xué)家Victor Weisskopf于1960年在康奈爾的一次報告會上所說：“粒子物理學(xué)家這些日子感到很絕望，以至于只好從多體物理中借用新的東西……”.而正是這種“借用”（見后面關(guān)于南部陽一郎工作的討論，實際上南部陽一郎本人也覺得當(dāng)時的粒子物理有點兒表現(xiàn)得像化學(xué)了）導(dǎo)致了量子場論和粒子物理的新生.這種多體導(dǎo)致的基本規(guī)律中所沒有的層展現(xiàn)象正是獲得1977年諾貝爾物理學(xué)獎的凝聚態(tài)大家P.W.Anderson所特別強(qiáng)調(diào)“多則不同”（more is differnet）的復(fù)雜性現(xiàn)象.

強(qiáng)作用的問題直到20世紀(jì)70年代后才開始逐步被解決，本文不再深入涉及.以S.Glashow為代表的一些物理學(xué)家當(dāng)時發(fā)現(xiàn)弱作用可以被化為20世紀(jì)50年代由楊振寧和米爾斯將阿貝爾規(guī)范理論推廣得到的非阿貝爾規(guī)范理論，只要附加要求傳遞這種規(guī)范作用的粒子像早年湯川秀樹提出的傳遞短程核力的π介子那樣具有一定的質(zhì)量.不幸的是非阿貝爾規(guī)范理論所具有的規(guī)范對稱性原本禁戒規(guī)范粒子具有質(zhì)量，因而似乎只能傳到長程力.若強(qiáng)行在理論中人為引入規(guī)范粒子的質(zhì)量，則既會破缺理論賴以為基礎(chǔ)的規(guī)范對稱性，還會導(dǎo)致理論無法像量子電動力學(xué)那樣可以通過重整化克服高階計算中出現(xiàn)的發(fā)散困難.這個規(guī)范粒子必須零質(zhì)量是本文前面提到的第一個零質(zhì)量粒子問題，它是當(dāng)時新生不久的非阿貝爾規(guī)范場面臨的主要困難.因提出不相容原理而獲得1945年諾貝爾物理學(xué)獎的泡利就因為它而強(qiáng)烈質(zhì)疑非阿貝爾規(guī)范場理論沒有用處，因為現(xiàn)實世界沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的零質(zhì)量粒子.從今天的角度看人為引入理論以規(guī)范粒子質(zhì)量導(dǎo)致的規(guī)范對稱性破壞是一種“明顯地”規(guī)范對稱性破缺，逃避這個短處的出路在于將其改進(jìn)為“自發(fā)地”規(guī)范對稱性破缺.體現(xiàn)在規(guī)范粒子身上就是其質(zhì)量不是人為放到理論中的，而是理論自發(fā)產(chǎn)生的，這個產(chǎn)生的機(jī)制就是此次諾獎所涉及的最核心的問題——規(guī)范粒子質(zhì)量的起源.如何具體實現(xiàn)自發(fā)地破缺規(guī)范對稱性，或自發(fā)地產(chǎn)生規(guī)范粒子質(zhì)量？在1964年的諾貝爾物理學(xué)獎工作發(fā)表之前人們是不清楚的.

在1964年諾貝爾物理學(xué)獎工作發(fā)表之前，關(guān)于對稱性自發(fā)破缺的研究在獨立于關(guān)于規(guī)范粒子質(zhì)量起源討論的另一條軌道上并行地發(fā)展著.南部陽一郎在20世紀(jì)60年代初證明了凝聚態(tài)中的BCS超導(dǎo)態(tài)具有對稱性自發(fā)破缺，并進(jìn)一步把這個概念及方法引入到了量子場論中，他因此獲得2008年的諾貝爾物理學(xué)獎［1］.在量子場論中，人們發(fā)現(xiàn)連續(xù)對稱性若發(fā)生自發(fā)破缺會產(chǎn)生零質(zhì)量的粒子，這被稱為Goldstone定理［2］，相應(yīng)的粒子叫Goldstone玻色子.在直觀圖像上，當(dāng)一個物理體系的最低能態(tài)不唯一時，若體系的相互作用具有某種連續(xù)對稱性，則通過對稱性變換可以把某個最低能態(tài)變換到其他的最低能態(tài).如果確定某個最低能態(tài)為體系的基態(tài)（或叫真空態(tài)），從基態(tài)沿連續(xù)對稱性變換方向做的無窮小變化相當(dāng)于把體系變化到體系的另一個最低能態(tài)——現(xiàn)在可被稱作激發(fā)態(tài)的狀態(tài)上，它對應(yīng)在體系的基態(tài)上激發(fā)了粒子，由于這個激發(fā)態(tài)和基態(tài)能量相同，這個激發(fā)出的粒子一定是無質(zhì)量的粒子.因此只要有連續(xù)對稱性自發(fā)破缺，就應(yīng)在物理譜上觀測到零質(zhì)量粒子.由于當(dāng)時在物理譜中沒有看到那么多零質(zhì)量粒子，這對將連續(xù)對稱性自發(fā)破缺的概念應(yīng)用于物理體系造成困難，這被看作本文前面提到的第二個零質(zhì)量粒子問題.第二個零質(zhì)量粒子問題除了下節(jié)將要介紹的此次諾獎工作給出的解決方案外，還有另一個解決方案是由南部陽一郎提出的（也是其2008年諾貝爾獎工作的一部分），即，使對稱性具有一點點的明顯破缺，也就是體系的相互作用不再是嚴(yán)格具有某種連續(xù)對稱性，而只是近似具有這種連續(xù)對稱性.這樣導(dǎo)致的Goldstone定理也只是近似地成立，因而它導(dǎo)致的Goldstone玻色子也不再嚴(yán)格是零質(zhì)量的粒子，而是近似零質(zhì)量，或者是具有很小質(zhì)量的粒子.這種粒子被稱為贗Goldstone玻色子，其特點是質(zhì)量遠(yuǎn)低于體系的特征能量尺度.強(qiáng)相互作用的贗標(biāo)介子在粒子物理上就被解釋成這樣的粒子，以說明它們遠(yuǎn)低于強(qiáng)子的典型質(zhì)量.在超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理理論中，有一類理論模型把目前剛發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子也解釋成為贗Goldstone玻色子，以說明它比在TeV能區(qū)的新物理能標(biāo)低很多的事實.

3 兩種零質(zhì)量問題的聯(lián)合解決方案：6組物理學(xué)家的工作

針對第一個零質(zhì)量問題，獲1965年諾貝爾物理學(xué)獎的J.Schwinger在1962年首先提出阿貝爾規(guī)范場的質(zhì)量可以通過將它和一個標(biāo)量場耦合得到［3］.在此基礎(chǔ)上，P.W.Anderson在研究非相對論等離子體時發(fā)現(xiàn)上面兩個零質(zhì)量問題碰到一起可以相互抵消，最后衍生出一個有質(zhì)量的規(guī)范粒子［4］.Anderson從描述邁斯納效應(yīng)的倫敦理論出發(fā)發(fā)現(xiàn)這個效應(yīng)實際上是由自旋為1的有質(zhì)量的光子—Anderson稱之為等離子體激元來實現(xiàn)的.和在自由空間傳播的無質(zhì)量光子相比，這個有質(zhì)量的等離子體激元多出了縱向分量.而這個多出的縱向自由度就來自零質(zhì)量的Goldstone粒子自由度（在本雜志2013年第5期，筆者專門就在電磁學(xué)和電動力學(xué)中如何介紹超導(dǎo)發(fā)表過專門的文章，詳見文獻(xiàn)［5］）.Anderson的工作并未得到粒子物理學(xué)家的重視，按照Higgs的描述這主要是因為Anderson的工作既未指出原有Goldstone定理的漏洞在哪兒，又是非相對論的.粒子物理學(xué)家們反過來仍在不斷試圖證明相對論條件下的Goldstone定理，雖然后來發(fā)現(xiàn)證明總是有這樣或那樣的漏洞，但在當(dāng)時卻給人們感覺Goldstone定理即使在相對論的情形下也確實應(yīng)該是正確的.

到了1964年，3組開始互不知曉、相互獨立工作的物理學(xué)家各相隔一兩個月共發(fā)表了4篇文章，在相對論情形下實現(xiàn)了Anderson指出的同時解決兩種零質(zhì)量粒子問題的方案.首先是比利時布魯塞爾自由大學(xué)的F.Englert和R.Brout在Physical Review Letters上發(fā)表的文章［6］中討論了阿貝爾規(guī)范理論耦合到復(fù)標(biāo)量場的情形.按照標(biāo)準(zhǔn)的理論物理做法，規(guī)范作用可以通過在自由的復(fù)標(biāo)量場的拉氏量中把普通微商置換成含規(guī)范場的協(xié)變微商引入，導(dǎo)致如下復(fù)標(biāo)量場和規(guī)范場的相互作用哈密頓量密度

其中，復(fù)標(biāo)量場φ可看作由兩個獨立的實標(biāo)量場φ1和φ2組成：φ＝（φ1＋iφ2）／.他們發(fā)現(xiàn)若其中一個實標(biāo)量場φ1（對應(yīng)激發(fā)Higgs粒子）因為某種原因發(fā)生了玻色－愛因斯坦凝聚〈φ1〉≠0，則理論上原來的相互作用項中可以產(chǎn)生兩個新的特殊項：一項是正比于這個凝聚平方的規(guī)范場質(zhì)量項：－e2〈φ1〉2A；另一項是規(guī)范場和另一個實μ標(biāo)量場φ2（對應(yīng)激發(fā)Goldstone玻色子）的微商的耦合項：ie〈φ1〉A(chǔ)μ?μφ2，這第二項產(chǎn)生兩個效應(yīng)：

首先產(chǎn)生Goldstone玻色子的場φ2的微商?μφ2和規(guī)范場Aμ相互直接有耦合，它意味著Aμ和?μφ2可以相互轉(zhuǎn)換.即規(guī)范場Aμ可以通過這種轉(zhuǎn)換獲得一個正比于?μφ2的項，也就是獲得其縱向分量.或者說Goldstone玻色子轉(zhuǎn)化成了規(guī)范場的縱向分量.這直觀地解釋了Anderson說的兩種零質(zhì)量碰到一起會相互抵消衍生出有質(zhì)量的規(guī)范粒子這一現(xiàn)象.因為Goldstone玻色子轉(zhuǎn)化成了規(guī)范場的縱向分量，零質(zhì)量規(guī)范場原本就像光子場一樣是沒有縱向分量的，現(xiàn)在通過從Goldstone玻色子轉(zhuǎn)化過來的縱向分量變成有縱向分量因而有質(zhì)量的規(guī)范粒子，這就是著名的Higgs機(jī)制，它是這項諾獎工作的核心.或者通俗地說規(guī)范場“吃掉了”Goldstone玻色子獲得了質(zhì)量.實際上對自發(fā)產(chǎn)生規(guī)范粒子質(zhì)量導(dǎo)致的規(guī)范對稱性自發(fā)破缺，一方面規(guī)范粒子獲得質(zhì)量需要具有原來零質(zhì)量時所沒有的縱向分量自由度，另一方面對稱性自發(fā)破缺又產(chǎn)生了“多余的”零質(zhì)量Goldstone玻色子自由度.一需一多，正好形成互補(bǔ).而第二項說明這兩個自由度可以互相轉(zhuǎn)化，實際是一回事.

再者第二項還會對規(guī)范粒子的兩點格林函數(shù)（通常說的傳播子）產(chǎn)生貢獻(xiàn).若沒有這一項，第一項（也就是純規(guī)范場質(zhì)量項）會導(dǎo)致的規(guī)范場傳播子為：，其中，m為規(guī)范場的質(zhì)量.這個傳播子在大動量區(qū)導(dǎo)致的是不衰減的行為它是導(dǎo)致有質(zhì)量的規(guī)范場不可重整的根本原因.而考慮進(jìn)第二項，規(guī)范場傳播子轉(zhuǎn)而變?yōu)椋?，它在大動量區(qū)導(dǎo)致的是衰減的行為.這種改進(jìn)了的大動量行為使理論的紫外收斂性大大變好，因此這也播種下理論可重整的種子，雖然當(dāng)時的研究尚未達(dá)到能證明這種理論可重整的地步（關(guān)于可重整的討論見下節(jié)）.遺憾的是F.Englert和R.Brout的工作重點放在了討論Higgs機(jī)制方面，忽略了對對應(yīng)激發(fā)Higgs粒子的那個實標(biāo)量場的討論.這也是這個實標(biāo)量場的量子激發(fā)最后的命名中沒有出現(xiàn)F.Englert和R.Brout名字的原因之一.

然后是英國愛丁堡大學(xué)的P.Higgs先在Physics Letters B上發(fā)表的文章［7］中指出在相對論情形下Goldstone定理確有漏洞可以不再成立，為規(guī)范粒子獲得質(zhì)量在對稱性的意義上奠定了基礎(chǔ)，也說明了本文前面提到的第二個零質(zhì)量問題在某些情形下可能不存在.再在Physical Review Letters上發(fā)表的第二篇文章［8］中針對與F.Englert和R.Brout相同的相對論性模型進(jìn)行討論.在此文章中，Higgs通過重新定義明確地寫下了吃掉Goldstone玻色子獲得質(zhì)量的規(guī)范場，并且特別地針對激發(fā)Higgs粒子的那個實標(biāo)量場進(jìn)行了仔細(xì)討論，給出了其運動方程和它的質(zhì)量的表達(dá)式.這是這個場的激發(fā)之所以被取名“Higgs粒子”的重要原因.到此為止，涉及規(guī)范粒子質(zhì)量起源的核心內(nèi)容就都基本齊全了：標(biāo)量場的兩個自由度，一個自由度一方面產(chǎn)生玻色－愛因斯坦凝聚導(dǎo)致對稱性自發(fā)破缺，另一方面激發(fā)出有質(zhì)量的Higgs粒子；另一個自由度作為Goldstone玻色子變成了規(guī)范場的縱向自由度使規(guī)范場獲得質(zhì)量.由于這兩個自由度原本是通過理論的U（1）規(guī)范對稱性相互關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)化的，因此它們之間有內(nèi)在聯(lián)系.縱然現(xiàn)在對稱性發(fā)生了自發(fā)破缺，這種聯(lián)系仍然隱含存在.這也是很多粒子物理學(xué)家不太喜歡叫對稱性自發(fā)破缺，而更喜歡稱對稱性“隱藏”的核心原因.因為這樣叫更能體現(xiàn)對稱性雖然失去但其導(dǎo)致的內(nèi)在關(guān)聯(lián)仍然存在的事實.值得一提的是，Higgs的第二篇文章相比第一篇文章明顯更物理性并作為此次諾貝爾物理學(xué)獎的核心工作先投稿到Physics Letters B雜志，確因在歐洲核子中心（CERN）的編輯認(rèn)為此工作和物理無關(guān)而給予拒稿，后來轉(zhuǎn)投Physical Review Letters雜志得到當(dāng)時作為評審人的南部陽一郎的鼓勵和支持（據(jù)說南部陽一郎特別要Higgs指明他的工作與F.Englert和R.Brout文章的關(guān)系，這促使Higgs特別在文章最后加了一段強(qiáng)調(diào)他的工作具有一個標(biāo)量粒子的事實，因而引發(fā)后來的Higgs粒子命名）才得以發(fā)表.

1964年，最后由 G.S.Guralnik、C.R.Hagen和T.W.B.Kibble共同在Physical Review Letters上發(fā)表的文章［9］對F.Englert和R.Brout提出的模型進(jìn)行了更仔細(xì)的討論.雖然這3位的工作更完整和充分，但諾獎委員會最后還是未在他們當(dāng)中選擇一人去填充此次諾獎空余的那個名額.鑒于這3組人對Higgs機(jī)制及Higgs粒子的重要貢獻(xiàn)，現(xiàn)在有些專家開始將幾位作者的姓名的第一個字母結(jié)合起來改稱BEH機(jī)制及BEH粒子，甚至還有叫BEHGHK機(jī)制及BEHGHK粒子的了.

實際上當(dāng)年還有更多的人參與了研究，當(dāng)時在蘇聯(lián)兩位19歲的本科生A.Migdal和A.Polyyakov（現(xiàn)在他們都是著名的理論物理學(xué)家）也做了類似的研究［10］，但他們的結(jié)果受到權(quán)威的壓制，經(jīng)過了大約1年的斗爭才得以提交雜志.本節(jié)諾獎工作的介紹可以簡潔地用表1表示.

表1 6組物理學(xué)家的諾獎相關(guān)工作

4 諾獎工作的后續(xù)發(fā)展：電弱統(tǒng)一與標(biāo)準(zhǔn)模型

后續(xù)幾年人們對相關(guān)的理論又不斷進(jìn)行了各種深入的討論.但是直到1966年，在普林斯頓高等研究中心從事公理化場論的研究者仍然還在相信Goldstone定理是正確的，而S.Glashow聽了Higgs的報告也只是稱贊他發(fā)明了一個很好的模型，并未把這個機(jī)制與可能的電磁作用和弱作用的統(tǒng)一聯(lián)系起來，雖然S.Glashow早在20世紀(jì)60年代初期就在強(qiáng)行引入弱作用規(guī)范粒子以質(zhì)量的情形下提出過電弱統(tǒng)一理論（那樣的理論是明顯破壞規(guī)范對稱性因而不可重整的）.當(dāng)時F.Englert、R.Brout、P.Higgs、S.Guralnik、C.R.Hagen、T.W.B.Kibble都把注意力集中在把他們所發(fā)明的機(jī)制用于強(qiáng)相互作用的討論，因而錯過了發(fā)現(xiàn)電弱統(tǒng)一理論的機(jī)會.S.Weinberg當(dāng)時也和他們6人一樣，不斷在強(qiáng)作用的領(lǐng)域里打轉(zhuǎn)，雖有進(jìn)展但成效并不令人滿意，直到1967年的某一天在驅(qū)車去辦公室的路上，S.Weinberg突然想到為什么不把方向轉(zhuǎn)到研究弱作用的領(lǐng)域呢，到辦公室后他把所有結(jié)果積聚起來應(yīng)用于討論弱作用和電磁作用，很快就建立起了著名的電弱統(tǒng)一理論，隨后Salam也獨立地提出了相同的理論.到了1971年，t′Hooft進(jìn)一步證明自發(fā)破缺的規(guī)范理論是可重整的，使得整個理論真正有了堅實的基礎(chǔ).在電弱統(tǒng)一理論中，十分奇妙的是，標(biāo)量場不僅像前面所述可自發(fā)破缺規(guī)范對稱性給傳遞弱作用的規(guī)范粒子以質(zhì)量，它同時還可以通過型為〈φ1〉的所謂 Yukawa耦合肩負(fù)起給夸克和輕子以質(zhì)量的任務(wù).據(jù)此，這個標(biāo)量場就實實在在地?fù)?dān)負(fù)起給所有基本粒子以質(zhì)量的重任，因而成為基本粒子質(zhì)量起源的核心.1976年在CERN的理論物理學(xué)家Ellis、Gaillard和Nanopoulos意識到標(biāo)量場的激發(fā)——自旋為零的Higgs粒子是對標(biāo)量場本身的存在的最直接的驗證，因此開始寫文章鼓勵實驗家們?nèi)ふ疫@個粒子，由此開始了理論和實驗家聯(lián)合尋找Higgs粒子的艱難歷程.電弱統(tǒng)一理論和后面針對強(qiáng)作用發(fā)展起來的量子色動力學(xué)聯(lián)合起來了形成今天的粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型.

標(biāo)準(zhǔn)模型從20世紀(jì)70年代建立起，直到今天，各種實驗不斷對其給予了越來越精確的檢驗.Higgs玻色子作為標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個被發(fā)現(xiàn)的粒子，它是直接聯(lián)系著所有基本粒子質(zhì)量起源的標(biāo)量場的激發(fā)，它是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一的傳遞基本相互作用的非規(guī)范粒子，在所有基本粒子中具有極其特殊的地位是真正的“上帝粒子”.遺憾的是，在標(biāo)準(zhǔn)模型中Higgs玻色子的質(zhì)量是任意參數(shù)，并且它和其他基本粒子之間的耦合十分微弱，這導(dǎo)致實驗對它的探尋極其困難，這也是人們歷經(jīng)幾十年的努力才最后找到它的根本原因.這也是人們猜測為什么在諾貝爾獎宣布的歷史上，會罕見地出現(xiàn)推遲1小時發(fā)布的原因之一.因為按照諾獎宣布人回答記者質(zhì)詢時所說，2013年的諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎?wù)呤窃谛籍?dāng)天上午才最后確定的.按照諾獎的慣例，最多只能3人獲獎，除了Englert和Higgs之外，還有一個剩余名額，是給為找到Higgs粒子做出實質(zhì)性巨大貢獻(xiàn)的實驗家，還是理論家，給哪位？有很多不同的可能選擇，因此可能很難統(tǒng)一意見需要討論和協(xié)調(diào).實際上，相比發(fā)現(xiàn)Higgs粒子，很多物理學(xué)家像霍金一樣更希望發(fā)現(xiàn)不了這個粒子.因為從理論上可以證明，若在TeV能區(qū)發(fā)現(xiàn)不了Higgs粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型的么正性就會被破壞，那就意味著一定要有某些超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新的物理現(xiàn)象出現(xiàn)，而這正是物理學(xué)家所夢寐以求的.

值得一提的是，中國的粒子物理學(xué)家們分別參與了LHC上的ATLAS實驗和CMS實驗，介入了尋找Higgs粒子并做出了自己的貢獻(xiàn).

5 未來：超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理？

雖然Higgs玻色子的發(fā)現(xiàn)毀滅了那些期待發(fā)現(xiàn)不了它轉(zhuǎn)而可以找到新物理的物理學(xué)家的夢想，但考慮到目前所發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的Higgs粒子的各種性質(zhì)仍不完全精確地符合，目前人們?nèi)苑Q這個粒子為類標(biāo)準(zhǔn)模型的Higgs粒子，而不就是標(biāo)準(zhǔn)模型的Higgs粒子.目前粒子物理學(xué)家還在繼續(xù)對Higgs玻色子的各種行為作更深入和仔細(xì)的探究，期望在未來能確認(rèn)它到底是不是標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的Higgs粒子.國內(nèi)的粒子物理學(xué)家和加速器專家們在積極研究在中國建立“Higgs工廠”的現(xiàn)實可能性.據(jù)理論估計，要能比較明確地進(jìn)行鑒別，需要仔細(xì)地探究整個的10—100TeV的能量區(qū)間才有可能.進(jìn)一步粒子物理學(xué)家還在尋找可能的更多種的Higgs粒子，并探尋它與暗物質(zhì)相互作用的可能性；宇宙學(xué)家試圖理解在宇宙演化早期發(fā)生的對稱破缺導(dǎo)致Higgs相變，并探尋它是否可能解釋為什么我們現(xiàn)在宇宙中物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì).目前的Higgs粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于引力開始起重要作用的普朗克能標(biāo)，如何理解這個事實？Higgs粒子的質(zhì)量還意味著標(biāo)準(zhǔn)模型理論的真空是一個亞穩(wěn)定的真空，它的含義仍有待揭曉……，大家都期望能更精確地檢驗粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，或者努力試圖發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新的物理現(xiàn)象.

［1］ 王青.對稱性及其破缺與2008年諾貝爾物理學(xué)獎［J］.物理與工程，2009，19（1）：2－6，9.

［2］ Goldstone J.Field theories with“superconductor”solutions［J］.Nuovo Cimento 1961，19：154－164.

［3］ Schwinger J S.gauge invariance and mass［J］.Phys Rev.1962，125：397－398.

［4］ Anderson P W.Plasmons，gauge invariance，and mass［J］.Phys Rev.1963，130：439－442.

［5］ 王青.電磁學(xué)與電動力學(xué)中的超導(dǎo)［J］.物理與工程，2013，23（5）：1－4，9.

［6］ Englert F，Brout R.Broken Symmetry and the Mass of the Gauge Vector Mesons［J］.Phys.Rev.Lett.1964，13：321－323.

［7］ Higgs P W.Broken symmetries，massless particles and gauge fields［J］.Phys.Lett.1964，12：132－133.

［8］ Higgs P W.Broken symmetries and the mass of the gauge bosons［J］.Phys.Rev.Lett.1964，13：508－509.

［9］ Guralnik G S，Hagen C R，Kibble T W B.Global conservation laws and massless particles［J］.Phys.Rev.Lett.1964，13：585－587.

［10］ Migdal A A，Polyakov A M.Spontaneous breakdown of strong interaction symmetry and the absence of massless particles［J］.Sov.Phys.JETP 1967，24：91－98，［Zh.Eksp.Teor.Fiz.1966，51：135］.