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希格斯机制的局限性

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：７０．Higgs粒子是否存在？７１．质量的起源是什么？７２．真正的对称自发破损的机理是什么？

《自然》展望2012年值得关注的科学进展和事件

2012年1月3日，《自然》网站发表了题为《新年，新科学》（Newyear，newscience）的文章，展望2012科学界将发生的科学事件和可能取得的重大发现.

1.今年6月，联合国第四届地球峰会将在巴西里约热内卢举行，此次会议主题是“可持续发展和绿色经济”，这无疑将是2012年最重要的环境会议.2.美国“好奇号”火星车8月份将登陆火星，取样火星岩石层和检测火星大气层中的甲烷.3.六个“大胆”的研究计划将获得欧盟未来和新兴技术旗舰计划的巨额资助，包括石墨烯、行星尺度的人类活动及其对环境影响模型、能量自动摄取传感器、单身人士的机器人伴侣等的研究.4.欧洲核子研究组织（CERN）今年将收集足够的数据来证明或排除“希格斯波色子”的存在.5.美国国立卫生研究院（NIH）的“DNA元素百科全书”工程今年将取得重大进展，人类基因组序列各部分功能将进一步明确.6.两种治疗“老年痴呆症”的单克隆抗体药物今年进入三期临床试验，有望获得成功.此外治疗肥胖、囊胞性纤维症药物也有望获得生产许可.7.俄罗斯四月将钻取更多南极冰层进行科学研究.8.三月，全球最大的电波望远镜——平方千米矩阵（SKA）项目的主持者将在南非和澳大利亚之间产生.9.美国加州SpaceXofHawthorne公司二月将向国际空间站发射首个商用无人航天飞机.10.2012年，首个真正的人工合成基因组有望问世.

如果不存在Higgs粒子，那规范场论就必然是错的，关于真空自发破缺的几乎所有理论也都会面临洗牌.但你是否知道，作为规范场论的一个应用，QED是目前为止和实验符合最好的物理理论，没有之一，它就是目前符合最好的物理理论.换言之，“不存在Higgs粒子”这句话的背后就是你要去重建整个QED，以及描述弱力和强力的QCD（在高能领域，这两个规范理论也是目前和理论符合最好的）.

1993年花费20多亿美元在德克萨斯州开凿了几十公里长的地下隧道后，美国国会参议院决定停止对超导超级对撞机计划(SSC)的拨款.寻找希格斯粒子，对粒子物理学标准模型进行最终检验的实验搁浅.几千物理学家失去工作，世界高能物理学界感到了空前的失落和沮丧.但物理学家的雄心并因此未受挫，之后由欧洲核子研究中心接手，通过了LHC计划，继续寻找希格斯粒子——标准理论失落的最后一环.该计划由世界多国协作，目前正在实施，估计2007年建成大型强子对撞机，2010年前出数据.所谓“希格斯机制”和其中甚至被认为是一切粒子质量来源的“希格斯粒子”就成为迄今拯救所谓标准模型的唯一重要因素.但是，迄今，虽然已有足够能量的实验，已经多次努力，仍然尚未实际找到牵涉有关理论成立基础的，所谓“希格斯粒子”.希格斯场独立于希格斯机制是标准模型中的一个方便假设.它并不是理论所必需的组成部分.在动力学对称破缺模型如工作色模型（<noinclude>)中，希格斯场为凝聚的费米子对（类似超导理论中的库柏对）所取代.只有在超对称标准模型中希格斯场才是真正基本的角色.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，转嫁到了完全未知的真空领域.显然，这种用未知去解决未知，完全是逻辑学的不幸.美国科学家格林在《宇宙的结构》一书中就说：如果是类似希格斯海通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量，那么情况又有所不同，质量还有另外的来源.对于希格斯粒子是否存在，霍金曾与人打赌.作为一个悲观主义者，他赌无.非阿贝尔规范场运动方程必须满足规范不变条件，物理学家们怎么可以把这一点给忘了呢？稍加改造后，杨—米尔斯规范场理论就能自足，再也无需希格斯机制这个赘物.只可怜欧洲核子研究中心的机器要空转一场，看来是停不下来了.在量子电动力学（QED）中，电子也一样具有电磁自能，但把电子质量完全约化为电磁概念的梦想根本无法实现：（1）由于超精的常数1/137是一个很小的数目，因此由电磁自能产生的质量修正μ与裸质量m₀相比只占一个很小的比例；（2）即使我们把QED的适用范围延伸到比普朗克能标还高的能区，使μ变得很大，但由于理论中是μ∝m₀，这表明如果电子裸质量为零，它的电磁自能也将为零.而裸质量是QED中拉格朗日量的参数，它在理论适用范围是无法约化的.对称性破缺的机制使传递弱相互作用的中间玻色子获得质量，然而黑格斯场的真空期望值或真空零点能在一定意义上相当于宇宙常数，其数值却比天文观测的宇宙常数大了几十到一百多个数量级.所有的和称之为绝对运动的加速度运动都纳入广义相对论是不可能的，除了引力论以外，其余的（例如量子电动力学、量子色动力学、量子味动力学、弱电统一理论）加速度运动理论仍游离于广义相对论之外与晚年试图将引力与电磁力在广义相对论框架内统一起来终遭失败这两个事实就是两个明显的证据.

1946——1949年间日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”.但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难.“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算，这与德布罗意波在υ=0时的异性.其基本思想便是把那样一些发散项吸收到一些基本“常”量中去，而那样一些无穷大的常量却是我们永远观测不到的.所能观测的只是那样一些经过重整化了的有限大小的量.但是这样的一种方法并不是对任何一种理论都适用，如果一个理论中的基本发散项随着微扰的展开越来越多的话，那么我们就无法将所有的发散项，全部吸收到那样有限的几个基本常量中去.我们称这样的一种理论是无法重整化的.量子电动力学(QED)很早就被认识到是一个可重整化的规范理论，而严格证明其它理论是否能被重整化，很长一段时间内，是一个没有解决的问题.直到七十年代初，这样的一个难题方被当时还是研究生的特.霍夫特(t'Hooft)和他的导师攻克.他们证明了当时基于规范理论的其它统一模型，都是可重整化的.这样的一个工作，给YANG-MILLS理论带来了第二次青春，同时也使得他们荣获了1999年的诺贝尔物理学奖.2007年台湾大学何小刚教授等按超对称最小扩展，提出的有7个希格斯粒子模型；2010年美国费米实验室物理学家马丁等提出的可能存在相似质量的5个希格斯粒子的双希格斯二重态模型.至今，人们相信，描述强，电弱三种相互作用的量子场论，都是可以重整化的.但是，描述引力相互作用的量子引力，却是无法重整化.这是当今理论物理界，面临的一个主要困难.

在电磁学的学习中，点电荷作为一个简单的例子来引入相互作用能的概念，然而在介绍静电能时却抛弃了点电荷模型，把研究对象改为体电荷与面电荷.为探究其中的原因，我们首先探讨电荷量为q的点电荷的自能：         (1)

其中U（r）是点电荷在自身处产生的电势

不妨将点电荷看做的均匀带电球体，电荷球内r处的电势为，则

                       (2)

把代入上式得：                                 (3)

很明显时，

如果我们换一种方法，直接通过点电荷能量密度对能量进行全空间积分也能得到自能趋于无穷大的结论：

无穷大的能量存在是具有迷惑性的，而且引人怀疑：为什么会有这种现象呢？最普遍的解释是由于点电荷是一种理想化模型，它并非尺寸为零的几何点，而是尺寸有限但远小于考察距离的带电体.在计算点电荷自能时，我们必须考虑它自身上的电势，这便使带电体无法再被看做点电荷.于是我们的积分式显得没有意义.

这种说法可以定性地解释点电荷自能发散问题，同时也可以解释线电荷同样的自能发散问题.然而，它不是完美的.一个重要的原因是我们还不能确定点电荷是否只是理论模型.电子是最有可能被认可为理想点电荷的带电体，迄今没有一个实验发现电子具有更加精细的结构，但同时我们无法想象什么作用可以抵抗电子的电磁斥力而使其保持如此稳定.如果电子是现实存在的点电荷，那么这两方面矛盾就自动消除了.然而如果点电荷确实存在，我们必须寻找一些步骤消去或者至少避开无穷大.这类发散困难在量子场论中不少见，因为量子场论就将一些基本粒子看做点粒子，而几乎所有的发散都来源于场对这些粒子的自作用.重新以电子为例，如果它是一个点，它产生的电磁场在自身处作用而引起的电势能将是无穷大的.为了解决发散问题，有一类称为重整化的方法，它告诉我们可以通过加上或者乘以一个无穷大将发散量隐藏起来.正如我们所知的，在实际运算当中我们容易发现譬如点电荷自能在各种背景之下没有实际作用，它始终保持不变，那么我们就可以用无穷大的常量将这些发散项减去，而仅仅考虑有意义的部分.这是重整化方法的基本构想.

事实上可观测量与理论本身的参数并不一定是一致的.可以证明，在足够小的距离范围之内，仅仅修改发散部分，对不发散部分的影响很小.就如考虑点电荷系统自能为一可度量常数，点电荷系统静电能为这一常数与互能之和，修改后的物理量值对各种物理情形的分析没有影响.因此这种处理方法是有效的.基于此种思想下的实验测量，检验也证明了重整化理论的合理性.尽管重整化解决了一些发散问题，但它是否为正确的理论仍然存疑.引进重整化是为了处理发散问题，然而这种思想基于我们认为一个物理理论是不应该发散的.在高能物理方面的不成熟迫使我们不得不模糊与发散有关的现象并且进行刻意的回避.总而言之，重整化是解决问题的一条途径，然而不是最终的方法.如果要确切的解决自能发散问题，不得不发展出一套正面应对发散困难的理论.

1954年杨振宁和Mills提出了非Abel规范场的理论，局域对称性就成了相互作用力和基本粒子结构的本原.1964年Higgs借鉴凝聚态相变的观念，引进了真空相变和对称性自发破缺的概念，真空并不是空的，这样使得统一性和多样性就得以结合，对称性原本相同的粒子在对称性自发破缺以后可以获得不同的质量，造就了今天千姿百态的世界.在这个基础之上，GlashouWeieberg和Salam用SU（2）XU（1）群的对称性和规范场统一了弱相互作用和电磁相互作用，形成了由三代夸克和轻子，三种相互作用力的携带者胶子、光子，W和Z粒子组成的标准模型.标准模型和实验符合得很好，遗憾的是引发对称性自发破缺的Higgs粒子可能质量太大.在目前的加速器实验中间还没有观察到.这个弱电统一的理论成功，为进一步统一四种相互作用力提供了希望和动力.光量子虽无静止质量，却仍有运动质量、动量，根本不存在与其动量标的目的铅直的两个所说的"横极化".只是大量光量子计数表现的光波才有两个所说的"横极化"，实际上根本不可能由这样的希格斯机制使光量子产生静止质量.也不会有这样的希格斯粒子.更不克不及说它是一切粒子质量的来历.希格斯机标准模型是一套描写强作用力、弱作用力、电磁力这3种基本力以及构成所有物质的基本粒子的定见，但是仍存在一些未能处理完成的根本缺陷.

cdf探量观测器和d₀探量观测器，多年来一直在搜集数值，并且已经由大变小了希格斯玻色子出现时的可能能量和质量探量观测边界.据多里戈介绍，去年11月时，两项试验配合发布了1个改进的希格斯玻色子边界.自此以后，研究职员已经搜集了更多的数值，多里戈预计，数值已增加了50%.是以，科学家们进一步由大变小了探量观测边界.2009年，费米试验室物理学家甚或者预测到当年末有50%的可能发明希格斯玻色子.所说的“三倍标准差效应”、“五倍标准差效应”，到底是如何的“标准差效应“”?它们到底是如何能证实根本不存在的所说的“希格斯机制”和“希格斯粒子”存在的几率呢?！所说的"三倍标准差效应"是指：从统计数学上讲，该试验结果是希格斯玻色子的可能性有99.7%.为修补认为是标准模型定见的唯一关键缺陷，英国科学家彼得?希格斯提出了，存在所说的"希格斯机制"、"希格斯场"、"希格斯玻色子".这类假定的希格斯玻色子是物质的质量之源，而其他粒子是在希格斯玻色子构成的"海洋"中巡逻，受其作用而产生惯性，最终才有了质量.通常认为确定性的程度到达"五倍标准差效应"(不错的可能性达99.9999%)，才完全可以证实一是个纯粹合理的新发明.而"三倍标准差效应"还不克不及够证实结果的确定性，不过，"三倍标准差效应"仍然象征着可能存在希格斯玻色子的有力证据.大型强子对于撞机的重要任务之一是帮助科学家寻觅标准模型中最后一种尚未被发明的基本粒子--希格斯玻色子.近日意大利帕多瓦大学物理学家托马索-多里戈在他的博客《量子日记活着回来者》中声称："我从两个不同的，多是独立的动静来历打听到，万亿电子伏特增速器的一次试验发了然希格斯玻色子微弱旌旗灯号存在的证据.1个动静来历说是观察到了'三倍标准差效应'；而另外1个动静来历没有具体诠释，发语辞起了试验得到了1个意外的结果(美国费米试验室万亿电子伏特增速器(tevatron)容或者已经发了然所说的的"天主粒子"希格斯玻色子).这一结果肯定来自万亿电子伏特增速器.目前，大型强子对于撞机试验尚无足够的数值来证实这类难以捉摸的神秘粒子，而世界上其他物理学试验更没有足够的能量发明它.不过，我现在还不太清楚这一传说风闻到底是来自费米试验室两个粒子探量观测器(多是cdf探量观测器或者是d₀探量观测器)中的哪1个.多里戈其实不是发明希格斯玻色子研究团队的成员，而且他承认这一传说风闻的靠得住性另有待证实.他彷佛是希望将自己所听到的这个奋发人心的动静及时与各人分享.多里戈补充道，物理学家或者将于本月底在巴黎举行的国际高能物理会议上发布关于这一试验结果的更多动静.美国科学家格林在《宇宙的结构》一书中就说：如果是类似希格斯海通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量，那么情况又有所不同，质量还有另外的来源.

陈和生先生是中国科学院高能物理研究所院士、欧洲核子中心大型强子对撞机实验CMS和ATLAS物理研究的中方首席科学家，一直致力于相关科研实验和组织协调工作.他说：“这个粒子是否就是希格斯教授提出来的那种，还需要大量的验证.现在有一种模型是‘超对称模型’，该模型中也有一种希格斯玻色子，但其性质与‘标准模型’中的希格斯玻色子的性质并不相同.这两种粒子的性质不同，衰变也不同.因此，对这次发现的新粒子究竟是哪一种粒子还需要多年的验证.”“目前需要增加统计性，看到更多的粒子.预计在今年年底，这一结果可以出来.至于究竟是什么粒子，还需要更长时间，甚至于还要再造一个加速器.”陈国明先生是中国科学院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员及负责人，他说：虽然这次发现新粒子的一些特征，比如产率（出现几率）、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合，但现在统计性太少，还不能确定这个新粒子的各种特性，因此这次也可能发现的是另一种新粒子.以目前取得的数据，要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够，仍然需要更多的实验数据积累.可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机，才能更仔细、准确地验证这个结果.

标准模型确实非常强大而且形式简洁优美.科学家们发现希格斯玻色子更是锦上添花.2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们宣称，他们发现了一种新的亚原子粒子，这个粒子是希格斯玻色子（即传说中的“上帝粒子”）的可信度高达99.99994%.1964年科学家首次提出希格斯玻色子是物理学粒子标准模型中最后缺失的一部分，标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论.根据该理论模型，希格斯玻色子必须存在从而赋予其他基本粒子质量.希格斯玻色子的“现身”证实了标准模型的完整性.更为重要的是，这是科学家们几十年科研探索的集大成者.就像在大海中捞针一样，我们首先必须完全理解大海和针，为了发现大型强子对撞机（LHC）制造的“迷你宇宙大爆炸”中的希格斯玻色子的罕见踪迹，我们必须了解基础物理学.标准模型几乎是大自然给予人类的最美妙的果实.然而，标准模型是作用力和粒子的大杂烩，没有获得完整的统一性和一致性.在标准模型中，标准模型最早部分——麦克斯韦方程组统治了电磁学，公正地来说，麦克斯韦方程组以平衡和优美著称.标准模型最新部分的方程式描述了强核力，这部分也具有令人愉悦的对称性，但是，强核力并不需要电荷和载力子（光量子），它们需要3个“色”电荷和8个胶子.而弱核力则引入了另外3个载力子.上述所有这些使标准模型看起来有点别别扭扭的.鉴于此，我们希望能够获得更大更好的方程组，其具有更好的对称性和平衡性.从逻辑上而言，超对称就是这些想法的集大成者.它假定存在着一种基本的对称性，使力能够变成物质，物质也能变成力，同时，这些方程式作为整体具有同样的内容.通过让自然界的粒子博物馆里粒子的数量加倍——为每个组成物质的费米子制造出一种携带力的玻色子以及相反，可以做到这一点.朝着这条道路一直追寻下去，我们会获得比较大的成功.经过扩展后的新理论可以精确地预测强核力、弱核力、电磁力的强度之间的比率，标准模型听任这些参数摆布.我相信这个成功绝非偶然.但是在科学上，相信只是一种手段，而不是最终目的.超对称性预测了具有独特属性的新粒子，随着大型强子对撞机以更高的能量和密度强度操作，这些粒子会逐一进入我们的视野中.这一理论很快将经受严格的考验，它或者会给我们提供我们所需要的，甚至给我们惊喜，或者一切只是竹篮打水一场空.丽莎·蓝道尔：哈佛大学理论物理学家，粒子物理学和宇宙学领域的权威.她有点担忧地表示：“我们或许无法获得超越标准模型的答案.”