17.上帝粒子之来龙去脉

这是瑞士日內瓦西北部的郊區，左边已经能看到法国边境处的农田，背景是美丽的日内瓦湖。漂亮的建筑，翠绿的草坪，你可能很难想象，在这一片宁静祥和的美景之下，隐藏着一个巨大的科学工程：欧洲核子中心的大型强子碰撞机。

图17-1：CERN的强子加速器LHC

欧洲核子中心（CERN），可以说是世界上科学研究最前沿的地方。二十多年之前，万维网在这儿悄然诞生，之后的发展有目共睹。2012年，这个组织宣告找到了“上帝粒子”的消息震惊了全世界。第二年，CERN的实验物理学家们基本确认发现了“上帝粒子”（希格斯粒子）之后，诺贝尔委员会将2013年的物理奖授予了与此相关的两位理论物理学家：弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯^【1】。

大型强子对撞机LHC隐藏在100米深的地下，位于一个周长27公里的巨大的环形隧道内。当年，全世界各国的科学团体联合建造这个世界上最大粒子加速器的主要目的，就是为了寻找希格斯粒子。这是一台世界上最昂贵的显微镜，几年来，世界各国合作的总耗资达到130亿美元，上万人为此日夜辛勤工作，目的就为了追踪一个平均寿命只有1.56×10−22秒（s）的小小的基本粒子！

这个不平常的“小东西”不是天外来客，因此，与其说是CERN“发现”了希格斯粒子，还不如说是对撞机“制造”出了希格斯粒子。事实上，科学家们是让LHC隧道中的两束质子，以每秒11245圈的速度（接近光速）狂奔后相撞，在极小的空间内爆发出等于十万倍太阳温度的超级高温，并释放出大量的能量和粒子，希格斯粒子就有可能产生在其中。不过，质子碰撞产生希格斯粒子的几率很小，每10¹²次的对撞，才可能产生一次。并且，希格斯粒子一旦产生后转瞬即逝，在10亿分之一秒的时间内就会衰变成其它的粒子。这就是为什么LHC耗资如此巨大，因为要想捕捉到希格斯粒子太不容易了。

虽然有人将其称之为“上帝粒子”，但希格斯粒子与上帝，或者与上帝的存在与否，丝毫无关。它也不是什么新闻媒体所大肆渲染的世界上一切物质的“质量来源”。说得准确一点，它是为大多数物理学家所认可的“标准模型”理论中其它的基本粒子，提供了一个“质量来源”的机制。

图17-2：

为什么需要为标准模型中的粒子提供“质量来源”？故事得回到杨振宁和米尔斯有关规范场的理论。读者可能还记得当杨振宁在普林斯顿高研院作报告时，泡利提出了有关质量的问题。这个问题当时就给了杨振宁当头一棒，并且也使得规范场的理论沉寂多年无法应用。杨-米尔斯场理论是将电磁作用的模式推广到非阿贝尔群。在电磁规范理论中，“光子”作为满足“局域规范不变”的要求而被人为引进，带电荷的粒子通过交换光子而相互作用，因之，人们把光子称为电磁作用的“中间玻色子”。除了电磁作用之外，还有弱作用（或强作用，这儿只以弱作用为例），它是否也可以看成是粒子之间通过交换某种“中间波色子”而作用的呢？

这种想法和类比如此美妙，使理论物理学家们难以放弃。但是，这其中有一个与质量有关的困难：如果要求被推广的理论满足规范不变的条件，其中引入的“中间玻色子”必须是没有质量的。众所周知，光子没有静止质量，因而它按照狭义相对论允许的最大速度-光速运动，也就是说，规范理论需要的“光子”，正好符合规范不变所要求的无质量的条件，也正好符合相对论“光速恒定”的理论和相关实验事实。

但是，如果将这点用于弱相互作用，认为弱作用的“中间玻色子”也都没有质量的话，就产生了一系列的问题。

我们首先探究一下，质量为0及不为0的粒子有何不同？

速度：质量为0粒子以光速运动，质量不为0的粒子速度小于光速；

自旋：如果粒子自旋为1，质量为0的粒子只有两个自由度（1、-1），质量不为0的粒子有三个自由度（1、0、-1）；

旋转度（Helicity）和手征性（Chirality）：旋转度（左旋或右旋）可以由粒子的自旋与运动方向结合而定义。旋转度是可观测量，但不是粒子的内禀属性。根据旋转度及自旋，可以定义一个更为深层的内禀物理量：手征性。

如果粒子的质量为0，旋转度和手征性没有区别，因而粒子的旋转度是确定的。但对质量不为0的粒子，则不具有确定的旋转度。这是因为粒子质量非零，运动速度一定小于光速，在不同的参考系中运动方向看起来不一样，但自旋方向一样，因此将得到不同的旋转度。

此外，四种相互作用中，引力和电磁力是远程力，强作用和弱作用是近程力。引力和电磁力符合平方反比率，作用的大小随着距离的增大而“与距离平方成反比”地减小，但从理论上说，它们的作用范围是无限的。而强弱两种作用的所谓“近程”，是只在很小的微观世界起作用，远到一定范围之外就没有了，比如说，强作用力只在10^-15m范围内有作用，弱作用力的范围不超过10^-16m。物理学家们认为，引力、电磁力及强力，都由无质量的传播量子传播，但强力传不远是因为夸克禁闭的原因。对弱力为“近程力”性质则有另一种解释，普遍观点是认为弱力的传播子具有较大的质量。

但是现在如果我们想把弱作用嵌入到规范场的理论框架内的话，它的传播量子（中间玻色子）最好没有质量，才能符合规范不变。不仅仅弱作用中间玻色子的非零质量惹来麻烦，费米子的非零质量也产生问题。比如说电子，它既参与电磁作用，也参与弱相互作用。根据狄拉克的电子理论，电子运动速度小于光速，因而旋转度不固定，其改变的速率与粒子的质量成正比。但是弱作用中有一种弱超荷，电子的旋转度不确定性将导致弱超荷不守恒的错误结论。

基本粒子的非零质量给规范理论带来这么多的麻烦，而物理学家又舍不得规范理论的数学美。那么，是否可以首先假设这些粒子没有质量来构造出漂亮的理论，然后，再从规范理论之外去寻找一种方法，给所有的粒子加上它应该有的质量呢？于是，各种方案应运而生，这其中，最简单的、大多数人最喜欢的一种，便是在1964年由三组研究人员独立提出的希格斯机制。

希格斯机制^【2，3】最初的思想来自于对超导现象的解释。上世纪50年代，前苏联物理学家朗道和Ginzburg在描述超导时，引进了一个标量场，这个场有不为零的真空值（由于自发对称破缺）。该场与光子相互作用时，将使得光子带有质量，因此在超导内部的电磁场能量很高，产生超导效应。

希格斯等将这种让光子产生质量的方法用于粒子物理中，为基本粒子产生质量，谓之希格斯机制。朗道等引入的标量场便类似于现在所说的“希格斯场”。根据量子场论的观点，每种场都对应一种粒子，希格斯场对应希格斯粒子。

并非只有希格斯机制才能为基本粒子赋予质量，所以，即使仍然使用规范理论，也不是一定要有Higgs粒子来提供质量，还可以有别的方法。如果再深究一下质量到底是什么？质量如何起源？我们也许未必见得能完美地回答这个问题，但是，根据爱因斯坦相对论所得出的质能关系：E= mc²，质量和能量是互相联系的。起码可以说质量的一部分可以来源于能量，这种质量与Higgs粒子没什么关系。

图17-3：质量的来源

比如说，如图11-3a，设想一个无质量的盒子，其中充满了不停地从四壁来回反射的光子。光子及盒子都没有静止质量，但是由于光子带有总能量E，因而整个盒子可以有与能量相对应的m=E/c²的质量。

实际上，质子质量的绝大部分就是来源于与上述光子盒类似的机制。质子的静止质量为938MeV，组成质子的三个夸克的总质量仅为11MeV，剩余的927 MeV的质量从何而来呢？是来源于强相互作用的传递粒子“胶子”。胶子g和光子g一样，没有静止质量，但质子中的许多胶子在一起运动和相互作用，因此而具有的束缚能，便是质子中绝大部分质量的来源。

如果空间中存在某种场，场与在其中运动的粒子相互作用。这种作用的结果便有可能改变运动粒子的能量，从而赋予粒子以相应的“质量”，这是希格斯机制能够赋予粒子质量的基本道理。

场的真空态是能量最低的状态。但是一般来说，能量最低的状态对应于场强为0。如果场的势能曲线比较特别，比如通常经常使用的所谓“墨西哥帽子”的形状（图17-3c）。这时，能量最低的状态是无限简并的，即如图17-3c所示的墨西哥帽向下凹的一圈。这一圈的能量最低，但场强却不为0。希格斯场的真空态，便可以由这种势能曲线描述的系统，产生“自发对称破缺”而得到，就像图中所画的小球无法停在中间能量较高的不稳定位置，最后朝一边滚下到谷底某一点的情形。因此，真空中存在着场强非零的、稳定的希格斯场。这种场无处不在，无孔不入，质量为零的各种基本粒子身陷其中，与希格斯场相互作用，并且获得它应该具有的质量。

从现代场论的观点，场的激发态便表现为粒子。希格斯场的真空态有4种激发模式（图17-3c的左上图），其中沿着势能曲线对称轴绕圈的相位变化模式有3种，对应于3种质量为0的Goldstone粒子，这些粒子在与其它粒子反应时消失不见，叫做被“吃”掉了，只有一种沿着势能曲线“径向”振动的激发模式对应于有质量的场粒子，也就是被大家称之为“上帝粒子”的希格斯粒子。

综上所述，希格斯粒子解决了质量的问题，物理学家们得以在杨-米尔斯规范场的基础上建立理论，将除了引力之外的其它三种力，统一在同一个标准模型中。标准模型包括了61种基本粒子，而希格斯粒子是这些粒子中，最后一个被“发现”的。因此，如果能够确定CERN的LHC探测到的的确是希格斯粒子的话，毫无疑问这是验证标准模型的一个重要里程碑。

参考文献：

【1】"Press releasefrom Royal Swedish Academy of Sciences". 8 October 2013. Retrieved 8October 2013.

【2】F. Englert and R.Brout (1964). "Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons".Physical Review Letters 13 (9): 321–323.

【3】Peter W. Higgs(1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons". PhysicalReview Letters 13 (16): 508–509.

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