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希格斯机制的由来

日本东京大学高能物理学教授本间三郎认为：“存在的不是夸克这一实体，而是对称性这一观念.如果是这样，物质的究极就不是粒子而是观念”.（引自《十堰科技》1987年第3期第37页，张苏亚译）

对称是美的，完美的对称只有唯一的一种相互作用，世界也就变得单调而乏味.标准模型包含费米子及玻色子两类：费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理.简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力.

电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一，这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力.由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”.标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子.

从最纯粹的意义上讲，物理学研究是为了揭开自然的奥秘，例如像薛定谔、海森堡和玻尔这样的物理学家提出了我们现在称为量子力学的理论.如果没有量子力学的具体实例，这就不过是一次高超的“智力练习”！同样，爱因斯坦在1905年发展了理解接近光速运动的理论，这也被许多观测证明了不是“智力练习”.

当李政道和杨振宁提出了一种理论来表明微观系统中的宇称守恒并非必需时，如果没有吴健雄和她的团队开展艰苦的实验来验证理论命题，这也将是一种“智力练习”.在自然界中发现一种“新”的对称性必定意味着我们以前还不了解自然界的某些部分.

毕竟将费米子配对看作玻色子的假设，由于数学上无法证明，不仅是核物理、也是量子力学的一个基本问题.理解它将不仅仅是理解核物理，这必定也为量子力学提供更深层次的理解.即使IBM自提出以来已经过去了半个多世纪，这个成功的模型理论依然在明确显现着这个深刻而深远的问题，不仅仅是关于核结构、同样也是关于量子力学作为知识体系的问题.回顾过去几十年，使用玻色子来代表费米子配对得到一个之前未知的量子系统O(6)对称性，在今天似乎仍然难以理解而且令人难以置信.而正如卡斯滕所展示的，大自然高声地告诉我们这种对称性实际上确实存在！总而言之，根据一般理解，简单地把费米子配对替换为玻色子应该导致剧烈的物理畸变，这是一个依然未被认真探索的物理学领域.大自然居然对这种粗鲁做法如此宽容、友好和/或顺从，而正是这一点是非常令人震惊的.这无疑在大声而清晰地告诉我们大自然某些真正深刻的东西，这种深邃的秘密有待我们未来去揭开！

希格斯子也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子.在研究过程中，杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础.一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的.当1995年3月2日美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦.

希格斯机制(<noinclude>)是苏格兰物理学家彼得·希格斯和其他理论物理学家同时发现的一种物理机制.如果粒子的运动方程满足规范不变原理，那么粒子的静止质量（以下简称为质量）必须为零，这种粒子一般被称为规范粒子.1964年希格斯提出的E=M²h²+Ah⁴希格斯场公式，在规范场理论中，规范粒子的质量是为对称性所不允许的.这是杨-米尔斯理论的严重缺陷.随着对对称性破缺的深入研究，特别是南部-戈德斯通定理的发现，物理学家们发现在规范理论中零质量的南部-戈德斯通粒子能为零质量的矢量规范粒子提供纵向分量，从而赋予它们以质量.

所谓“希格斯玻色子”的“上帝粒子”，是希格斯(Higgs)为解决当连续的对称性发生自发破缺，却出现一些静止质量为零、自旋为零的所谓：“戈德斯通(J．Goldstone)粒子”的玻色子的矛盾，而提出所谓“希格斯机制”，认为：由于光子的静止质量为零，它不同于一般有静止质量的粒子“有3个极化方向”，而“只有两个与其动量方向垂直的横极化，没有沿运动方向的纵极化”.通常复标量场的两个实分量都是具有“非零的”静止质量.希格斯研讨满足定域U(1)规范不变性的复标量场与电磁场的相互作用，当选取其中的一种特殊参数，使U(1)规范不变性遭到破坏的同时，却使得原应为光子的粒子，出现了纵极化分量，静止质量不再是零，而标量场的两个有静止质量的分量，就只剩了一个.即：由于对称性发生了自发破缺，标量场的一个分量所转化为的零静止质量的戈德斯通玻色子，变成了原应为光子的粒子的纵分量，而成为具有静止质量的粒子.而标量场剩下的另一个有静止质量的分量就成为所谓的“希格斯粒子”.并认为它是一切粒子质量来源.

美国科学家格林的《宇宙的结构》一书中说：各种基本粒子的质量之所以不同，是因为不同种类的基本粒子同希格斯海的相互作用强度各不相同.如顶夸克，在希格斯海中加速非常困难，希格斯海是通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量的.希格斯正是在研究电弱理论物理的数学中，发现希格斯场公式的：E=M²h²+Ah⁴（1），E为能量密度，实际是局部宇宙总能量密度，h为希格斯场，其实类似影响速度“阻力”的加速度、速度或重力加速度.A为一未知的正值常数，实际是联系类似质量时空全息的度规格子或量杆.M²为希格斯场量子的质量平方，其实就是映射二维时空全息的度规格子的面积.M为这种正方形格子的边长，是一种与时间分离的质量的量杆；且只在量杆的两端，有时间的信息需要时发出信号.

希格斯假设整个宇宙空间充满了一种标量场，它的真空平均值不为零，从而导致真空自发对称破缺.这种破缺会导致质量为零的非真实的Goldstone粒子的存在，然而，如果标量场满足规范不变原理（即标量场与规范粒子耦合），当采取适当的规范（即幺正规范）后，Goldstone粒子将不再存在，而规范粒子将获得质量.这一质量获得机制今天被称为希格斯机制，而对应于标量场的粒子被称为希格斯粒子.从现在的基本粒子理论的角度看，对称性的主要破坏是一种“自发破坏”或者说是一种表观上的破坏，即所有基本粒子原始都无质量，它们之间的相互作用有拉格朗日量描述，该量具有完全的对称性，但相互作用的结果得出的总体的基态是简并的，其中有某中场的凝聚.实际的“宇宙”的基态是这些简并基态中某一个，而所有的激发态都是在此“特定基态”上的局部扰动，从而原来拉格朗日函数的对称性就不显示出来了/我们所观察的物理过程都是发生在某个特定背景上的，使原有的对称性不能显示出来.有些粒子的质量是由于它与空间凝聚场作用的结果.量子电动力学的微扰论计算可以给出与实验精密符合的结果，然而这个微扰展开都是不合理的.粒子物理的标准模型引进了一个两分量的复标量场，即希格斯场，它共有四个自由度.在弱电<math>SU(2)\timesU(1)</math>对称群被希格斯场的势能所自发破坏后，希格斯场中的三个自由度被<math>SU(2)</math>的规范粒子所吸收而成为它们的纵向分量.这些规范粒子就是<math>W^\pm</math>和<math>Z^0</math>玻色子（确切地说，<math>Z^0</math>是<math>SU(2)</math>和<math>U(1)</math>规范粒子的一个线性组合，它的正交组合是光子）.希格斯场的剩余自由度被称为希格斯玻色子.它还没有被高能实验所证实.

在现代物理主流的标准模型中，所有基本粒子质量都源于黑格斯机制.这种机制虽然从唯象方面讲非常有效，但并不能给出其数量上的具体结果.因为在黑格斯场的汤川耦合中，耦合常数对于每一种费米子都有一个独立取值，至使标准模型的拉格朗日量所包含的、与质量直接有关的自由参数数目、比原先需要解释的质量参数数目还多.实际上，在粒子质量起源问题上，黑格斯机制只不过把在粒子领域不能解决的问题，转稼到了完全未知的真空领域.

1964年希格斯找到了使规范粒子获得质量的途径，描述规范场与其他场相互作用的方程式具有杨一米尔斯对称性，但其解描述真实世界表现出不对称性，这种对称性方程的不对称解称为“自发破缺的对称性”，对称性自发破缺使规范粒子获得质量.1967年温柏格了萨拉姆各自独立地抓住对称性自发破缺的思想，在格拉肖电弱统一模型的基础上构思了统一电磁作用和弱作用的规范场理论，其基本思想是电磁作用和弱作用本来属于具有有一种对称性的统一的相互作用，这种相互作用通过交换四种规范粒子来传递，它们的质量均为零，在能量较低的范围，对称性自发破缺了，其中一种规范粒子仍然是无质量的，它就是传递电磁作用的光子，另外三种都获得较大的质量，质量大约是质子的100倍，它们是传递弱作用的W±和Z0粒子.1983年电弱统一理论预言的结果被实验证实.格拉肖、温伯格了萨拉姆的电弱统一理论获得极大的成功.

附录1：自发对称性破缺

量子力学的真空与一般认知的真空不同.在量子力学里，真空并不是全无一物的空间，虚粒子会持续地随机生成与湮灭于空间的任意位置，这会造成奥妙的量子效应.将这些量子效应纳入考量之后，空间的最低能量态，是在所有能量态之中，能量最低的能量态，不具有额外能量来制造粒子，又称为基态或“真空态”.最低能量态的空间才是量子力学的真空.

设想某种对称群变换，只能将最低能量态变换为自己，称最低能量态对于这种变换具有不变性.假设一个物理系统的拉格朗日量对于某种对称群变换G具有不变性，这并不意味着它的最低能量态对于变换G也具有不变性.假若拉格朗日量与最低能量态都具有同样的不变性，则称这物理系统具有“正合对称性”；假若只有拉格朗日量具有不变性，而最低能量态不具有不变性，则称这物理系统的对称性被自发打破，或者称这物理系统的对称性被隐藏，这现象称为“自发对称性破缺”.

电弱统一理论是对称性在物理基础研究中的一次伟大胜利，它鼓舞物理学家们进而研究包括强作用的大统一理论，以及把四种相互作用都统一起来的超对称大统一理论.对称性概念将近一步发展，并将进一步扩大其胜利成果.

时空对称性（即洛伦兹对称性）和内部对称性（即规范对称性）.但是规范对称性在弱力中必须被破坏，而且必须被自发破缺(1999年和2008年诺贝尔物理奖)，弱规范对称性自发破缺的尺度由著名的费米常数GF决定，它带有质量量纲为-2，从其实验测定值就可直接推断出相应的能量尺度为100GeV—1000GeV范围(1GeV等于1千兆电子伏特)，因此导致弱规范对称性自发破缺的新粒子——希格斯粒子（或称“上帝粒子”）的质量必须位于此范围.目前正在欧洲核子中心运行的大型强子对撞机（LHC）的能量尺度完全覆盖100GeV—1000GeV范围，它预期将发现或排除这个“上帝粒子”.若此粒子被排除，标准模型将被一个新的革命性理论所修改.

附录2：根据2022年《科学》期刊上的一篇论文，费米实验室的科研人员，在研究W玻色子的时候，发现了质量偏差，这意味着原有的理论预测值是错误的，在世界上存在着一种全新的尚未被人类发现的粒子，或者是某种力，而它们会颠覆人类看待世界的方式.那么，费米实验室的研究结果到底靠不靠谱？费米实验室是美国最重要的物流学研究中心，成立于1967年，在这里，汇聚着来自全球的顶尖物理学家，他们主要是探索关于空间、时间和物质等的奥秘.早在去年4月费米实验室就已经发现基础物理学存在着问题，科研人员在实验中发现缪子反常磁矩测量的结果，和现有的理论模型预测值不符，在当时就有不少物理学家认为，基础物理理论很可能会要被推翻重写了.费米实验室的新发现，再一次印证了这个观点，一个全新的与众不同的物理学新世界正在等待着人们去发现，当然也有可能是费米实验室的结果错误，不过如果在经过后续的实验验证后，结果仍然存在着偏差，那么基础物理的世界也真的要迎来坍塌了.那么究竟W玻色子的现有模型出现了多大的BUG？W玻色子是一种基本粒子，它在核聚变的过程中是一种非常重要的粒子，在过去的20年时间里，科学家们对于W玻色子的研究分析都是处在了标准预测值的范围内，然而，这一次美国费米实验室的结果，却是要比标准模型重了76MeV（标准预测值为80357±9.4MeV）.虽然看起来这只是一个微不足道的差距，但是在实验中排除了所有已知的粒子后，仍然存在着76MeV的误差，这就不寻常了，因为它没有对应的粒子或者是力，所以才会说这是基础物理学上的一个大BUG，这个微不足道的0.1%差距，却对现有的基础物理理论造成了致命的打击.

首当其中的就是希格斯机制，过去的半个多世纪时间里，物理学家们已经建立了一个宇宙中基本粒子和力之间的完整框架，这也就是我们所谓的“标准模型”，如今很多研究理论，也都是建立在它之上.简单来说，就是希格斯机制赋予了W玻色子的质量，前提是在理论范畴之内，如今W玻色子的质量出现了BUG，这也意味着，一开始对于希格斯机制的研究就是存在着问题的，或者说希格斯机制从一开始就是错误的，它引导人类基础物理学一直都在错误的道路上前进.这也是为何很多物理学家都表示，如果这个新发现得到了证实，那么真的是“垂死病中惊坐起”了，特别是对于那些一辈子都在研究相关理论的物理学家来说，更是一个无法接受，但是却必须接受的结果.研究认为大概率将会有一个全新的“暗物质粒子”，或者是颠覆现有基础物理学理论的新例子会被发现，从而对基础物理学提出挑战，当然，究竟谁会揭开其中的谜题，然后引领人类进入到一个全新的物理世界，这还说不准.毕竟费米实验室自从去年4月就发现了基础物理学的BUG之后，尽管如今又再一次印证了这个结果，但是却也没有揭开其中的谜团，仍然为此困惑不已.费米实验室研究者JoeLykken认为，人类或许需要数年的时间，才可以揭晓谜团，不过，这对于物理学研究来说，也是一个非常激动人心的过程.大概率未来会有人因此而获得新的诺贝尔奖，这下全世界的物理学家们又有得忙了，期待早日开启全新的物理新世界大门吧！