希格斯玻色子的意义

最近物理学中最大的新闻是发现了希格斯玻色子——或者至少是一种新粒子，它具有与希格斯玻色子相同的性质，比如自旋0和衰变产物。这也是2012年物理学上最大的进步。判断这个粒子基础是信号出现在125-126电子伏的质量上，置信度达到5个标准误差，这意味着置信度大于99.99994%。为什么希格斯玻色子如此重要？有两个主要原因。首先，它是标准模型中唯一尚未发现的粒子。因为它有最大的质量，加速器的能量以前不能把它吹灭，只有LHC能。第二个原因是它不同于常见的基本粒子，如电子、光子和夸克。它是其他粒子的奉献者和静止质量的来源。

没有希格斯玻色子的世界会是什么样子？在那样的世界里，因为没有静止质量(像光子)，所有基本粒子都以光速运动。由于基本粒子之间的传输和相互作用的速度是光速，这意味着很难有由夸克形成的稳定原子核。如果电子静止质量为零，这意味着不可能形成原子和分子。这样，宇宙中就不会有各种各样的行星，更不用说生命了。

你如何比较希格斯粒子提供质量的原理和其他基本粒子？希格斯粒子的发现完善了粒子物理的标准模型。标准模型基于量子场论，量子场论是量子力学和狭义相对论的结合。在量子场论中，所有粒子都是分布在整个空间中的场。磁场的最低能量状态被称为“真空状态”。随着能量的增加，单粒子态、双粒子态、三粒子态等。的字段出现。这种“真空状态”并非全无，因为磁场的最低能量不是零。希格斯场与所有其他基本粒子场的不同之处在于，在宇宙诞生的那一刻，真空状态经历了短暂的破裂，变成了现在的样子。正是这个时刻给了每个基本粒子静止质量(除了光子和胶子)。

前天在欧洲核中心(CERN)证实的希格斯玻色子是希格斯场通过真空对称破缺后的产物。它也可以说是对应于希格斯场剩余部分的粒子，在它被赋予其他基本粒子静止质量之后。这一部分也会与许多粒子相互作用而产生衰变，因此它可以被衰变产物探测到。当然，它将不再给基本粒子以静止质量，因为它是在宇宙创造之初被给予的。

在粒子世界中，具有整体自旋的粒子称为玻色子，例如光子，而胶子的自旋为1。自旋为半整数的粒子称为费米子，如电子、夸克和中微子，它们的自旋都是1/2。希格斯粒子属于玻色子，因为它的自旋是0，这也是已知唯一自旋为0的玻色子。

希格斯玻色子理论上是如何预测的？主要原因来自量子场论的两大成就。物理学家起初没有看到这两项成就之间的深刻联系。借用民谣的风格:两朵花盛开，我们每人一朵。第一个是与先生关系密切的杨-米尔斯理论，第二个是戈德斯通定理。

杨振宁先生在物理学上最重要的贡献不是与李政道先生发现的宇称不守恒，当然也不是他54岁的妻子。他最重要的贡献是20世纪50年代米尔斯提出的杨-米尔斯场论。杨-米尔斯场理论不允许静止质量玻色子的存在，而当时的实验结果表明，传递弱相互作用的玻色子是质量玻色子，因此杨-米尔斯场理论没有受到太多的重视。

另一方面，杰弗里·戈德斯通在1962年证明了在量子场论中，真空状态下自发对称性破缺的标量场(自旋=0场)将伴随着零质量、零电荷和零自旋的粒子。当然自然界中没有这样的粒子，所以戈德斯通定理最初被认为是一个数学游戏。

杨-米尔斯场论和戈德斯通定理因此有着相同的命运。很快，1964年量子场论有了重大突破。布鲁特、恩格尔特和希格斯等人的工作使得前两个迪奥斯理论一夜之间融入了高富帅理论。他们发现这两种理论是完全互补的！杨-米尔斯场理论通过一定的限制条件(学名，规范对称性)限制玻色子的形成。希格斯等人证明，在戈德斯通定理中对称性破缺后，这些玻色子和标量场之间的相互作用将获得静止质量，而标量场的其余部分对应于自旋为0但静止质量为0的粒子。有些看起来很眼熟？是的，这是希格斯机制和希格斯玻色子！

这就是希格斯机制的意义，它拯救了杨-米尔斯场理论和戈德斯通定理。一举两得，一举两得。经过进一步研究，可以发现电子和夸克等费米子也可以通过希格斯机制获得静止质量。随后，温伯格、萨拉姆和格拉乔夫通过希格斯机制实现了电磁相互作用和弱相互作用的统一，并获得了1979年诺贝尔物理学奖。

粒子物理的标准模型是描述强相互作用的电弱统一理论，包括希格斯机制和量子色动力学。希格斯机制需要希格斯玻色子的存在。一旦找不到希格斯玻色子，标准模型就需要修改。物理学家必须给出其他理由来解释杨-米尔斯规范玻色子和费米子的质量来源。这个模型比希格斯机制更复杂。

根据欧洲核子研究中心对7月4日发布的新粒子数据的分析，可以确定95%以上的概率是标准模型中的希格斯玻色子。作为在标准模型中发现的最后一个粒子，可以说这次公布的结果标志着标准模型实验证据的完善。然而，标准模型并不是物理世界的终极理论，因为它的基础——量子场论本身并不是终极物理理论。

在更小的时空尺度下，基本粒子可能符合超对称性量子场论，而标准模型只是在稍大尺度下的近似。如果时空尺度和普朗克尺度一样小，可能是超弦理论和其他包含重力的更深层次的理论主宰了世界。当然，找到相应的实验证据需要更大、更昂贵、更耗能的加速器，甚至可能超过人类文明的极限。

无论如何，人类仍在探索宇宙最基本的单位。LHC的下一个目标是验证超对称性。超对称性是费米子和玻色子之间的深层内在联系。如果它存在，基本粒子的数量将翻倍，三维空间将不再满足要求。超弦理论是超对称性和和弦理论的结合。它要求空间是九维甚至十维的。人类的空间概念将会改变。

最后，应该补充的是，媒体总是用“上帝粒子”来代表希格斯玻色子。事实上，诺贝尔物理学奖得主勒德曼想在他介绍希格斯玻色子的科普著作中将希格斯玻色子昵称为“该死的粒子”。出版商发现它不合适，于是把它改成了“上帝粒子”换句话说，不要认为希格斯玻色子与上帝有任何关系。