希格斯玻色子

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希格斯玻色子
CMS Higgs-event.jpg
電腦模擬繪製的希格斯玻色子出現事件
组成 基本粒子
状态 假想粒子
理论 恩格勒、布繞特、希格斯、
古拉尼、哈根、基博爾
（(1964）
发现 尚未 （截至2011年12月）
类型 標準模型：1種
超對稱模型：5種
质量 可能為 115–130 GeV/c2[1]

在粒子物理學的標準模型裏，希格斯玻色子（英語：Higgs boson）是假想的一種帶質量基本粒子，是唯一尚未被證實存在的粒子。[2]希格斯玻色子是純量玻色子，自旋为零，因物理學者彼得·希格斯而命名，又稱為「上帝粒子」。[註 1]

希格斯機制試圖解釋為什麼負責傳遞弱相互作用的W及Z玻色子具有質量，而負責傳遞電磁相互作用的光子不具有質量。在標準模型裏，電弱對稱性破缺促使規範向量場獲得質量，但又額外生成了多餘的零質量戈德斯通玻色子。選擇適當的規範，可以除去這零質量戈德斯通玻色子，只存留帶質量純量場（希格斯玻色子）與帶質量規範向量場（W及Z玻色子）。這整個過程稱為希格斯機制。假若實驗證實希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機制極大的肯定，特別是對於為什麼基本粒子具有質量這方面的解釋，也可以確定標準模型基本無誤。[註 2]有些理論不需要希格斯玻色子的存在。這些理論稱為無希格斯模型。假若希格斯玻色子被證實不存在，則物理學者可能會進一步聚焦於這些理論。

歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）正在緊鑼密鼓地尋找希格斯玻色子。費米實驗室的兆電子伏特加速器（Tevatron），直到2011年底停止運作前，也在進行類似實驗。有些理論建議，當能量高過1.4 TeV時，能夠生成基本粒子質量的任何機制必會出現。[3]因此，物理學者預期，使用兩束3.5TeV粒子束對撞做實驗的LHC，應該能給出希格斯玻色子是否存在的明確證據。[4]2011年12月，在LHC的超導環場探測器實驗（ATLAS）與緊湊渺子線圈實驗（CMS），這兩個主要實驗的發言人分別獨立表示，從收集到的數據顯示，希格斯玻色子可能會存在的質量在125 GeV/c2左右，他們相信原本研查的質量值域已被相當程度地縮小，質量在115-130 GeV/c2以外的可能性已被排除。[註 3]但尚未得到足夠證據做定論。物理學者預期在2012繼續收集到的更多數據會給出確切的是否答案。[5][1][6][7]

目录

[编辑] 理論起源

5位榮獲2010年櫻井獎的物理學者：從左至右，基博爾、古拉尼、哈根、恩格勒、布繞特。
第6位榮獲2010年櫻井獎的物理學者：希格斯，2009年。

粒子物理學者認為物質是由基本粒子組成的。1960年代初期，物理學者提出很多關於這些基本粒子之間的理論，但是他們知道這些理論並不完備，其中有一大疏漏，即這些理論無法解釋為什麼基本物質會具有質量性質，然而戈德斯通定理似乎否定了很多顯而易見的解答。

自發對稱性破缺會產生戈德斯通玻色子。按照希格斯機制，規範玻色子會吸收戈德斯通玻色子，並且獲得質量，同時維持規範不變性。菲利普·安德森於1962年在一篇關於超導體的論文裏，提出一種自發對稱性破缺理論。[8]他指出，在超導體裏，因為電磁交互作用，戈德斯通玻色子會轉變為電漿子，因此猜測戈德斯通玻色子問題可以在相對論性模型裏得到解決。[9]於1964年，分別有三組研究小組幾乎同時地獨立延伸發展出相對論性模型，其中，一組為弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，[10]另一組為彼得·希格斯，[11]第三組為傑拉爾德·古拉尼、卡爾·哈根和湯姆·基博爾。[12]他們分別發表探討希格斯機制的論文，在《物理評論快報》50周年慶祝文獻裏被公認為里程碑論文[13]。這六位科學家因此榮獲2010年的理論粒子物理學櫻井獎[14] 。

於1967年，史蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆首先應用希格斯機制於電弱對稱性破缺，並且描述希格斯機制怎樣能夠被併入稍後成為標準模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。[15][16][17] 希格斯機制不但解釋了電弱向量玻色子怎樣獲得質量，並且預測W玻色子和Z玻色子之間的比率和耦合，還預測這些玻色子與標準模型的夸克、輕子之間的耦合。經過在大型電子正子對撞機（LEP）和史丹佛線性加速器（SLAC）做精密測量實驗，很多預測都已經核對證實，因此確認希格斯機制的確發生於大自然。[18]物理學者仍舊不清楚希格斯機制到底是怎樣發生，他們希望能從尋找希格斯玻色子所得到的結果獲得一些這方面的證據。

希格斯玻色子並不是希格斯機制的嚴格必定後果：希格斯玻色子只存在於一些希格斯機制理論，而不是所有希格斯機制理論。例如，希格斯玻色子存在於標準模型與最小超對稱標準模型，而不預期存在於像彩色模型一類的無希格斯模型。大型強子對撞機與兆電子伏特加速器的重要目標就是分辨這些模型與確定希格斯玻色子是否存在。

[编辑] 理論概述

標準模型的粒子之間相互作用摘要圖。

自然界中物體之間的相互作用，可以劃分為4種力：引力（重力）、電磁力、强相互作用、弱相互作用。在愛因斯坦相對論解決了重力問題後，人們開始嘗試建立統一的模型，以期解釋通過後3種力相互作用的所有粒子.

科學家們建立起被稱為標準模型的粒子物理學理論，它把基本粒子分成3大類：夸克、輕子與玻色子。標準模型的缺陷，就是該模型無法解釋物質質量的來源。

為了修補上述理論的缺陷，英國物理學家希格斯提出了希格斯場的存在，並進而預言了希格斯玻色子的存在。假設出的希格斯玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的場中，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。之後所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統一於標準模型之下。標準模型預言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實驗所證實，而希格斯玻色子是最後一種未被發現的基本粒子。

標準模型預測，有一種場瀰漫於空間，稱為希格斯場。在真空中，希格斯場的振幅不等於零，也就是說，真空期望值不等於零。在電弱交互作用裏，這造成了自發對稱性破缺，從而使得規範向量場獲得質量，但又強迫生成了多餘的零質量戈德斯通玻色子。選擇適當的規範，可以除去這零質量戈德斯通玻色子，只存留帶質量純量場（希格斯玻色子）與帶質量規範向量場（W及Z玻色子）。這整個過程，稱為希格斯機制。這是所有可以賦予規範玻色子質量，而同時又遵守規範理論的可能機制中，最簡單的機制。在本質上，希格斯場就像一池黏黏的蜜糖，黏著於尚未帶有質量的基本粒子。當這些粒子通過希格斯場的時候，會轉變成帶有質量的粒子，從而形成原子的成分。

在標準模型中，希格斯場是由兩個中性與兩個帶電的分量場組成。兩個帶電和一個中性分量皆是戈德斯通玻色子，是帶質量的W+、 W–和 Z 玻色子的縱向第三偏振分量。剩下的中性分量場對應於帶質量希格斯粒子。由於希格斯場是一個純量場，希格斯粒子不具有自旋，也就沒有內秉角動量。希格斯粒子是自己的反粒子，具有CP-偶性。

標準模型並沒有預測希格斯玻色子的質量。假若質量在115和180 GeV/c2之間，則能量尺度直到普朗克尺度（1016 TeV）上限，標準模型都可能為正確。基於標準模型的一些不令人滿意的性質，許多理論學者認為後標準模型的嶄新的物理會出現於TeV能量尺度，希格斯粒子（或其他的電弱對稱機制）能夠具有的質量的尺度上限是1.4 TeV；超過此上限，標準模型變得不相容，因為對於某些散射過程違反了么正性。現今，學術界有超過一百種不同的希格斯質量理論預測。[19]

許多標準模型的延伸模型，包括超對稱模型（SUSY），預測整個希格斯粒子族群的存在，而不是單獨一個希格斯粒子。在幾種超對稱模型中，最小超對稱模型（MSSM）的希格斯機制產生的希格斯粒子數量最少，只有兩個希格斯二重態，這導致純量粒子五重態的存在：兩個CP-偶性的中性希格斯玻色子h0、H0，一個CP-奇性的中性希格斯玻色子A0，和兩個帶電希格斯粒子H+、H-。許多超對稱模型預測，最輕的希格斯玻色子的質量比現在實驗上限稍微高些，大約為120 GeV/c2左右。

[编辑] 實驗探索

歐洲核子研究中心大型強子對撞機位置俯瞰圖
LHC可能製成希格斯玻色子的一種途徑的費曼圖。在這裏，兩個膠子分別轉換為兩個頂夸克與反頂夸克粒子對，然後合併形成一個中性希格斯玻色子。
LHC可能製成希格斯玻色子的另一種途徑的費曼圖。在這裏，兩個夸克分別發射一個W玻色子或Z玻色子，然後以W+W-或ZZ方式合併形成一個中性希格斯玻色子。

根據早於2000年在CERN的LEP所收集到的數據，標準模型希格斯玻色子的質量下限被設定為114.4 GeV/c2，95%置信水平 上，但並沒有找到任何希格斯玻色子存在的證據。這實驗曾經於2000年製出一些特別值得注意、可以被詮釋為稍大於這截止值的質量（大約115 GeV/c2）的希格斯玻色子所造成的事件，可惜由於數量不夠，無法做定論。[20]同年，為了要建築下一代對撞機LHC，LEP停止運作。物理學者期望LHC能夠確定或否定希格斯玻色子的存在。於2008年9月10日LHC正式開始調試運行。由於磁鐵與磁鐵之間的一些超導電纜的編接（splice）缺陷，使得超導系統喪失功能，必需加以維修測試，完全運作延遲至2009年11月中。[21][22]

2010年1月，在費米實驗室的Tevatron的CDF和DØ實驗研究小組報告，所搜集到的數據，足以排除希格斯玻色子的質量在162-166 GeV/c2以內，置信水平95%上。[23]同樣研究小組於2011年3月又報告，排除希格斯玻色子的質量在158-173 GeV/c2以內，置信水平95%上。[24] 。2011年7月之前得到的初步結果又延伸這排除值域至156-177 GeV/c2，置信水平95%上。[25]

自從2010年3月30日，開始3.5 TeV能量運作之後，LHC越加緊鑼密鼓地進行數據搜集與分析。[26]到2011年7月為止，從ATLAS和CMS實驗得到的初始結果，分別排除標準模型希格斯玻色子的質量在155-190 GeV/c2、295- 450 GeV/c2以內，置信水平95%上；[27]>從CMS實驗得到的初始結果，排除標準模型希格斯玻色子的質量在149-206 GeV/c2、300-440 GeV/c2以內，置信水平95%上。[28]所有上述置信水平都是使用信號置信水平方法計算求得。[29]

希格斯玻色子的質量或許可以間接估計。在標準模型裏，希格斯玻色子會造成一些間接效應。最引人注意的是，希格斯迴路會造成W玻色子質量和Z玻色子質量的小額度修正。準確的測量電弱參數，例如費米常數、W玻色子質量、Z玻色子質量，所得到的結果，可以用來限制希格斯玻色子的質量。截止於2006年，使用這方法，允許排除標準模型希格斯玻色子的質量大於285 GeV/c2，置信水平95%上，並且估計其質量為129+74−49 GeV/c2（中間數值對應於大約138質子質量）[30] 這些間接限制假定標準模型為正確。假若在標準模型與大統一論的尺寸之間，另外還有別的粒子伴隨它，則仍舊有可能在已排除質量值域發現希格斯玻色子。

希格斯玻色子可能會與前面提到的標準模型粒子相互作用，但也可能會與詭祕的大質量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質，這在近期天文物理學研究領域裏，是很重要的論題。[31][32]

2011年7月，ATLAS研究小組表示，LHC可能已偵測到希格斯玻色子的蹤跡，在低質量值域（120−140 GeV/c2），偵測到超額量事件，大約超過背景數量期望值2.8個標準差。[33]通常，必需超過5個標準差，才可算為正式發現。假若超過5個標準差，則偵測錯誤的機會是百萬分之一。英國廣播公司報告，ATLAS和CMS研究小組在質量值域140與145 GeV/c2之間找到許多很有意思的粒子事件。稍後，Tevatron發言人表示，他們也觀測到類似事件，又在質量140 GeV/c2附近，發生一些令人費解的事件。[34]

8月22日，由於從ATLAS與CMS獲得更多數據，異常結果不再是因素，希格斯玻色子被證實不存在於質量值域145–466 GeV/c2，除了在250 GeV/c2附近幾個小島以外，置信水平95%上。[35]11月，經過綜合分析ATLAS與CMS實驗數據，希格斯玻色子的質量值域進一步限制為114-141 GeV/c2。[36] 12月12日，ATLAS研究小組更排除標準模型希格斯玻色子的質量在145-206 GeV/c2以內，置信水平95%上。[37]

2011年12月13日，ATLAS研究小组和CMS研究小组发布了LHC对希格斯玻色子的阶段性侦测结果：“希格斯玻色子如果存在，应在95%置信水平上的115-130 GeV/c2(ATLAS)或115-127 GeV/c2(CMS)的质量范围内。其中最可能的质量范围是125-126 GeV/c2的至多3.6的标准偏差水平上(ATLAS)或124 GeV/c2的至多2.6的标准偏差水平上(CMS)。”[38][39][40] 现在仍然需要更多实验数据，“是否发现”的官方确认至少还要等到2012年11月，LHC的下一次运行完成以后。[41][42][43][44][45][46]

2011年12月22日, 费米国立加速器实验室的DØ研究小组报告了有关在sqrt(s)=1.96 TeV的质子-反质子对撞所以产生MSSM希格斯玻色子的最严约束: "产生MSSM希格斯玻色子的上限对于 90-300 GeV 的希格斯玻色子质量已设定, 排除了 tanβ>20-30 的 180 GeV 以下的的希格斯玻色子质量。"[47]

[编辑] “上帝粒子”

美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼曾著有粒子物理方面的科普书籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》，[48][49]后来媒体也沿用了这一称呼，常常将希格斯玻色子称作是“上帝粒子”。[50]这一称呼激起了公众媒体对于希格斯玻色子的关注和兴趣。[49]然而， 许多科学家却不喜欢这一称呼，因为它过分强调了这粒子的重要性，尤其是即使这粒子被发现，物理學者仍舊無法回答一些關於強相互作用、电弱相互作用、引力相互作用的统一化问题，以及宇宙的起源問題。[50]莱德曼说他以“上帝粒子”为这粒子命名是因为这粒子“在当今物理学中处于極為中心的位置，对我们理解物质的结构極為关键、也極為难以捉摸”。[50][48][51]不过他也开玩笑地补充说另一个原因是“图书出版商不让他把这粒子称作‘上帝譴責的粒子’，尽管这別稱可能更恰当地描述了希格斯玻色子的‘踏破鐵鞋無覓處’性质以及人们为之所付出的代价。”[48]

後来，英国的《卫报》展开了一次关於希格斯玻色子重命名的競赛，并最终从提交的命名中选择了“香槟酒瓶玻色子”（champagne bottle boson）作为最佳命名。“香槟酒瓶的瓶底正好是希格斯势的形状，而且它常常在物理讲座中被用来作为图解。因此它絕非胡乱编造的名字，而是便於记忆、与物理实际相關的名字。”[52]

[编辑] 参見

[编辑] 註釋

  1. ^ 術語「希格斯玻色子」是為了紀念希格斯和印度物理學者薩特延德拉·玻色而命名。
  2. ^ The masses of composite particles such as the proton and neutron would only be partly due to the Higgs mechanism, and are already understood as a consequence of the strong interaction.
  3. ^ 截至2011年12月13日為止，希格斯玻色子如果存在，應在95%置信水平上的116-130 GeV/c2（ATLAS）或115-127 GeV/c2（CMS）的質量範圍內。

[编辑] 參考資料

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查 · 論 · 編
基本粒子
夸克：u · u · d · d · c · c · s · s · t · t · b · b
輕子：e- · e+ · μ- · μ+ · τ-  · τ+ · νe · ve · νμ · vμ · ντ · vτ
規範玻色子：γ · g · W± · Z0
复合粒子
重子/核子/超子：p · p · n · n · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω ·
介子/夸克偶素：π · K · ρ · D · J/ψ · Υ
其它
假想的基本粒子
其它
大质量弱相互作用粒子(WIMP) · 惰性中微子 · 加速子 · 快子 · 軸子 · 引力子 · 希格斯玻色子 · X · Y · W' · Z'
假想的复合粒子
其它
準粒子
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