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是否相信希格斯机制是一个世界观的问题

已有 599 次阅读 2019-4-15 18:56 |系统分类:科研笔记

杨振宁先生提出了核子 (质子、中子) 的SU(2) Yang-Mills理论之后,有一次做报告,被Pauli当场指出他所构造的规范玻色子是没有质量的,而当时并没有发现这样的粒子 (到现在也没有发现),这让当时的杨先生很下不来台。


后来,格拉肖-温伯格-萨拉姆基于 SU(2) times U(1) Yang-Mills理论的框架,利用希格斯机制赋予规范玻色子W和Z质量,成功的建立了与实验数据高度符合的电弱统一理论。当然,希格斯机制也可以用来赋予其它基本粒子,例如夸克和电子重整化之前的裸质量。


希格斯机制基于一个很简单的量子场论模型,拥有 (\phi^{*}\phi)^{2} 耦合的复标量场 (自由标量场满足Klein-Gordon方程)。不过这里自由标量场的裸的静质量是虚的,这使得真空的能量最低点发生了移动,从标量场展开的坐标的原点移到了墨西哥帽子的下部的圆环中。通过标量QED使标量场与规范场发生耦合后,重新定义标量场,把真空能量最低点移回新的标量场展开的坐标的原点,就会自动的赋予规范玻色子质量。这一理论在保证规范对称性的基础上解决了规范玻色子具有质量的问题。


2012年7月,欧洲核子中心 (CERN) 宣布找到了希格斯粒子,其质量大约为125 GeV。紧接着,希格斯机制的创立者们 (Higgs and Englert etc.)获得了诺贝尔物理学奖。事实上,在关于希格斯机制的诺贝尔颁奖典礼之前,有关于Higgs机制的强烈争论,其原因大概是基于唯像的计算,Higgs粒子的质量不应该只有 125 Gev 这么轻。


然而,关于希格斯机制就尘埃落定了吗?


我个人认为,未必。


希格斯机制仍然有一些理论上的问题,这些问题从一个追求fundamental theory的理论家的观点来看是不可接受的,以至于肯定要对希格斯机制进行修改。


首当其冲的是Dirac创建其Dirac方程的理论上的动机,Klein-Gordon方程会预言出现负几率 (可参见温伯格量子场论第一卷)。这在物理上是不可接受的,并且温伯格也在其书中指出Dirac的分析排除了任何0自旋粒子的存在性。当然我们知道,0自旋粒子在自然界是存在的,比如 pi 介子。但是注意,这些自旋为0的介子不是基本粒子。那么,稍微更改温伯格的论断,自然界不存在自旋为0的基本粒子。


另外,Klein-Gordon方程中需要使用二次偏导(这也是为什么负几率会存在的原因),而基于微分几何,外微分算子的平方总等于0,这意味着一个fundamental的理论中有二阶偏导的场对应的静质量为0,例如光子。这里感叹一句,数学和物理真有如母亲与胎儿的脐带般的联系,血肉相连。


如果上一论断成立,那么Higgs粒子要么不是基本的,要么我们发现的类点标量粒子是基本的但不是标准模型Higgs粒子。


回顾希格斯机制的铁磁对比我们发现,希格斯机制确实暗示我们当前的标准模型是一个有效理论,而不是fundamental的。那么,这一思路下的探索怎么样呢?影响最为广泛的相关研究或者就是弦论了。弦论预言了额外维与超对称的存在。然而目前为止,各类实验数据(包括宇宙学和粒子物理的)是偏向否定额外维与超对称的存在的。


那么,我们是否应该反思,我们是从哪里开始走错了路。我个人怀疑就是希格斯机制开始,我们的路走偏了。


事实上,虽然满足Klein-Gordon方程的标量场不应该是基本的,但我们自然界存在另一个基本的标量场,Ricci标曲率。Ricci标曲率自然的从Einstein-Hilbert作用量给出,另外由于引力与质量的天然的血肉联系,可否可以使用引力场赋予基本粒子质量呢?


所以,这是一个世界观的问题。承认希格斯机制,认为标准模型不是基本的,从而寻找例如弦论的 “fundamental” 理论,并去探测额外维与超对称(虽然实验已越来越不支持额外维与超对称)。另外,就是放弃希格斯机制,寻找新的赋予基本粒子质量的方法,发展曾被前辈研究过但因弦论大火而退避三舍的弯曲时空量子场论。


我个人现在的选择是后者。并且我似乎瞥到了一个完美、深刻的理论体系。







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