物理現(xiàn)象研究方法

1、Higgs Boson的提出與探尋歷史徐清陽* 賀強(qiáng) 趙西大連海事大學(xué) 物理系 大連 遼寧 116026(20 May 2013)摘要：在第五次作業(yè)中，就質(zhì)量之源的上帝粒子“希格斯玻色子”做了一些研究成果的收集與展示，但仍然覺得太過粗糙，之后又進(jìn)行了深入的查找資料，并對(duì)資料進(jìn)行了整理而得此文。本文章主要從Higgs boson的理論發(fā)展、重要性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)探索以及探尋歷史等方面對(duì)其做更為詳細(xì)的介紹。PACS: , 關(guān)鍵詞：希格斯玻色子,理論發(fā)展,實(shí)驗(yàn)探索 正文0 引言為什么我們要介紹希格斯玻色子？為什么它如此重要？主要有兩個(gè)原因：第一個(gè)是它是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，因?yàn)樗馁|(zhì)量最大，以前

2、加速器的能量都無法把它轟出來，只有LHC可以1。第二個(gè)原因是它和電子、光子、夸克等我們耳熟能詳?shù)幕玖Ｗ硬煌?，它是個(gè)奉獻(xiàn)者，是其它粒子靜質(zhì)量的來源。1 提出1964年，英國物理學(xué)家彼得·希格斯（）發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)理論文章，提出一種粒子場(chǎng)的存在，預(yù)言一種能吸引其他粒子進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在。他認(rèn)為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)，其他粒子在這種粒子形成的場(chǎng)中游弋并產(chǎn)生慣性，進(jìn)而形成質(zhì)量，構(gòu)筑成大千世界2。希格斯提出了希格斯機(jī)制。在此機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起電弱相互作用的對(duì)稱性自發(fā)破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范玻色子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng) 量子化激發(fā)

3、，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。歐洲 核子研究中 圖1 標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子之間相互作用 心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡稱LHC）將有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。這種理論中的粒子后來被別人以“希格斯”的名稱命名，外號(hào)“上帝粒子”，是1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼對(duì)希格斯玻色子的別稱。2 理論發(fā)展史1960年代初期，不少尚未證實(shí)的基本粒子逐漸被發(fā)現(xiàn)，很多關(guān)于基本粒子的理論也被提出，例如已被廣泛接受的統(tǒng)一場(chǎng)論，但是物理學(xué)者知道這些理論并不完備，特別是這些理論無法解釋為什么基本粒子會(huì)具有質(zhì)量。這是一個(gè)很大的缺陷。1962年，杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理。根據(jù)這

4、定理，當(dāng)連續(xù)對(duì)稱性被自發(fā)打破后必會(huì)生成一種零質(zhì)量玻色子，稱為戈德斯通玻色子。帶質(zhì)量粒子比較難制成，粒子加速器必須使用很高的能量來碰撞制成帶質(zhì)量粒子。零質(zhì)量粒子案例跟重質(zhì)量粒子案例不同，零質(zhì)量粒子很容易制成，或者可從缺失能量或動(dòng)量推測(cè)其存在。然而，事實(shí)并非如此，物理學(xué)者無法找到其存在的任何蛛絲馬跡。因此，戈德斯通定理似乎也否定了針對(duì)這缺口一些顯而易見的解答34。1963年，菲利普·安德森發(fā)表論文指出，類似戈德斯通玻色子的準(zhǔn)粒子也會(huì)出現(xiàn)在其它物理學(xué)領(lǐng)域，超導(dǎo)體的理論或許可以解釋粒子物理學(xué)的問題，在固定不動(dòng)的超導(dǎo)體里，一種特殊的電磁作用將戈德斯通玻色子變換為等離體子。他猜測(cè)，對(duì)于相對(duì)論性模

5、型，假若應(yīng)用規(guī)范不變性理論來抵銷戈德斯通理論的結(jié)果，戈德斯通玻色子問題應(yīng)該可以迎刃而解5。1964年，分別有三組研究小組幾乎同時(shí)地獨(dú)立延伸發(fā)展出相對(duì)論性模型，其中，一組為弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，另一組為彼得·希格斯，第三組為杰拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾。古拉尼于1965年、希格斯于1966年又分別更進(jìn)一步發(fā)表論文探討這模型的性質(zhì)。這些論文表明，假若將規(guī)范不變性理論與自發(fā)對(duì)稱性破缺的概念以某種特別方式連結(jié)在一起，則規(guī)范玻色子必然會(huì)獲得質(zhì)量。1967年，史蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆首先應(yīng)用希格

6、斯機(jī)制來打破電弱對(duì)稱性，并且表述希格斯機(jī)制怎樣能夠并入稍后成為標(biāo)準(zhǔn)模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。 六位物理學(xué)者分別發(fā)表的三篇論文，在物理評(píng)論快報(bào)50周年慶祝文獻(xiàn)里被公認(rèn)為里程碑論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學(xué)櫻井獎(jiǎng)。同年，在他們之間，又發(fā)生了一點(diǎn)爭(zhēng)執(zhí)，萬一因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，由于每一年只能授予給三位杰出人士，而現(xiàn)在有六位人士做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)，到底應(yīng)該頒發(fā)物理學(xué)最榮譽(yù)的獎(jiǎng)給哪三位人士？1964年6月，恩格勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)發(fā)表了三頁論文，他們指出，假定在量子真空里標(biāo)量場(chǎng)（即希格斯場(chǎng)）的數(shù)值不等于零，則會(huì)引起自發(fā)對(duì)稱性破缺，從而促使規(guī)范矢量場(chǎng)獲得質(zhì)量。由于電磁相互作用的光子與傳遞

7、弱相互作用的膠子都是規(guī)范矢量場(chǎng)，這結(jié)果是統(tǒng)一弱相互作用與電磁相互作用的關(guān)鍵。稍后，希格斯獨(dú)立發(fā)表論文概述怎樣能夠應(yīng)用局域規(guī)范不變性來回避戈德斯通定理。不久之后，希格斯發(fā)表第二篇論文，他將上述回避方法加以延伸應(yīng)用于一種非常簡單模型，借以描述規(guī)范矢量場(chǎng)怎樣獲得質(zhì)量。在這篇論文里，希格斯給出后來知名為“希格斯玻色子”的假定量子的方程。希格斯的1966年論文推導(dǎo)出希子的衰變機(jī)制；只有帶質(zhì)量玻色子可以衰變，假若找到衰變的跡象，就可以證實(shí)希子存在6。古拉尼團(tuán)隊(duì)論文提到了恩格勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)與希格斯分別獨(dú)立于1964年發(fā)表的論文。這論文也推導(dǎo)出希子的存在，但是希格斯的希子具有質(zhì)量，而古拉尼團(tuán)隊(duì)的希子不具有質(zhì)量，這結(jié)果

8、令人疑問兩種希子是否相同。在2009年與2011年發(fā)表的兩篇論文中，古拉尼解釋，在古拉尼團(tuán)隊(duì)給出的模型里，取至最低階近似，玻色子的質(zhì)量為零，但是這質(zhì)量的數(shù)值沒有被任何理論限制；取至較高階，玻色子可以獲得質(zhì)量；另外，只有古拉尼團(tuán)隊(duì)論文明白寫出模型里沒有零質(zhì)量戈德斯通玻色子，這論文是唯一對(duì)于整個(gè)希格斯機(jī)制給出完整分析的論文。 希格斯機(jī)制不但解釋了規(guī)范玻色子怎樣獲得質(zhì)量，還預(yù)測(cè)這些玻色子與標(biāo)準(zhǔn)模型的費(fèi)米子之間的耦合。經(jīng)過在大型電子正子對(duì)撞機(jī)（LEP）和史丹佛線性加速器（SLAC）做精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)，很多預(yù)測(cè)都已經(jīng)核對(duì)證實(shí)，因此確認(rèn)大自然確實(shí)存在這一機(jī)制。但物理學(xué)者仍舊不清楚希格斯機(jī)制到底是怎樣發(fā)生，他們

9、希望能從尋找希子所得到的結(jié)果獲得一些這方面的證據(jù)。3 標(biāo)準(zhǔn)模型希子的性質(zhì)稍微復(fù)雜一點(diǎn)，但更實(shí)際一點(diǎn)，在最小標(biāo)準(zhǔn)模型（minimal standard model）里，希格斯場(chǎng)是一個(gè)復(fù)值二重態(tài)（兩個(gè)復(fù)值標(biāo)量場(chǎng)，或四個(gè)實(shí)值標(biāo)量場(chǎng)，兩個(gè)帶有電荷，兩個(gè)是中性）。另外，還有規(guī)范場(chǎng)論的三個(gè)零質(zhì)量規(guī)范玻色子（橫場(chǎng)，如同光子一樣，每個(gè)玻色子具有兩個(gè)自由度）；一共有十個(gè)自由度。自發(fā)對(duì)稱性破缺之后，每一個(gè)規(guī)范玻色子都會(huì)獲得質(zhì)量、同時(shí)添加一個(gè)縱場(chǎng)，總共有九個(gè)自由度，剩下的一個(gè)自由度是帶質(zhì)量的希子。三個(gè)帶質(zhì)量規(guī)范玻色子分別是帶質(zhì)量的W+、W-和Z玻色子。由于希格斯場(chǎng)是標(biāo)量場(chǎng)（不會(huì)因洛倫茲變換 而改變），希子不具有自旋

10、。希子不帶電荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性7。標(biāo)準(zhǔn)模型并沒有預(yù)測(cè)希子的質(zhì)量。假若質(zhì)量在115和180GeV之間，則能量尺度直到普朗克尺度（1019GeV）上限，標(biāo)準(zhǔn)模型都有效?；跇?biāo)準(zhǔn)模型的一些不令人滿意的性質(zhì)，許多理論學(xué)者認(rèn)為后標(biāo)準(zhǔn)模型（beyond the Standard Model）的新物理會(huì)出現(xiàn)于TeV能量尺度8。希子（或其他的電弱對(duì)稱性破缺機(jī)制）能夠具有的質(zhì)量的尺度上限是1.4TeV；超過此上限，標(biāo)準(zhǔn)模型變得不相容，因?yàn)閷?duì)于某些散射過程違反了幺正性（unitarity (physics)）?，F(xiàn)今，學(xué)術(shù)界有超過一百種不同關(guān)于希格斯質(zhì)量的理論預(yù)測(cè)9。理論而言，希子的質(zhì)量或許可以間接

11、估計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，希子會(huì)造成一些間接效應(yīng)。最值得注意的是，希格斯回路會(huì)造成W玻色子質(zhì)量和 Z玻色子質(zhì)量的小額度修正。通過整體擬合從各 個(gè)對(duì)撞機(jī)獲得的精密電弱數(shù)據(jù)，可以估計(jì)希子的質(zhì)量為GeV，或小于152GeV，置信水平95% 710。希子可能會(huì)與前面提到的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子相互作用，但也可能會(huì)與詭秘的大質(zhì)量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質(zhì)，這在近期天文物理學(xué)研究領(lǐng)域里，是很重要的論題1112。4 實(shí)驗(yàn)探索如同其它帶質(zhì)量粒子（例如，頂夸克、W及Z玻色子）的衰變行為，希子會(huì)在非常短暫時(shí)間內(nèi)衰變成其它粒子，因此無法做實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)到希子。但是，標(biāo)準(zhǔn)模型精確地預(yù)言所有可能衰變方式與其對(duì)應(yīng)或然率，假若能夠仔

12、細(xì)檢驗(yàn)碰撞的衰變產(chǎn)物，就可以追蹤希子的生成與衰變。1980年代，隨著不斷發(fā)展的粒子加速器的建成，實(shí)驗(yàn)探索開始釋出關(guān)于希子的訊息。由于假定存在的希子的可能質(zhì)量值域非常寬廣，需要建造很多尖端設(shè)施來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。這包括功能強(qiáng)大的粒子加速器、偵測(cè)。另外，還需要高功能電腦設(shè)施來處理與分析大量數(shù)據(jù)。所有可能質(zhì)量都必須一個(gè)值域一個(gè)值域的仔細(xì)檢驗(yàn)，逐漸縮緊探索范圍。實(shí)驗(yàn)探索的當(dāng)前目標(biāo)是找到可能是希子的粒子。假若能夠找到這粒子，下一步是仔細(xì)研究其性質(zhì)，查明是否與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希子性質(zhì)相同。假若性質(zhì)相同，則可以證實(shí)新粒子的確是希子；否則，可能是生成截面不同，或者是衰變分支比（branching ratio）不同，

13、那么就必須將標(biāo)準(zhǔn)模型加以修正。5 探尋歷史在電弱統(tǒng)一理論從建立到獲得成功，其中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是對(duì)稱自發(fā)破殘?jiān)硗茰y(cè)出來的希格斯玻色子，用它來解釋電弱統(tǒng)一理論中的W+1、W-1、Z0玻色子非零質(zhì)量的獲得機(jī)制。但到如今，電弱統(tǒng)一理論已經(jīng)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)從而得到大家普遍的承認(rèn)，而作為電弱統(tǒng)一理論基礎(chǔ)的希格斯玻色子（X0）仍然沒有在大家的視野中揭開它神秘的面紗，這個(gè)難題一直以來都困擾著所有從事基本粒子研究的愛好者們。雖說到現(xiàn)在為止還沒有人發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，但很多實(shí)驗(yàn)表明了電弱統(tǒng)一理論是完全正確的，這使得人們相信它必然存在，發(fā)現(xiàn)它只是時(shí)間的問題。但是科學(xué)是一門以事實(shí)說話的學(xué)問，不是大家想當(dāng)然的就能解決的問題

14、。因此找到一種合乎 圖2電腦模擬繪制的希格斯玻色子出現(xiàn)事件自然辯證邏輯的理論是解釋現(xiàn)象的關(guān)鍵。 為了修補(bǔ)上述理論的缺陷，英國物理學(xué)家希格斯提出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的場(chǎng)中，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。之后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于標(biāo)準(zhǔn)模型之下。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。CERN早前已表示，不會(huì)在今年公布發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”。2012年7月4日，歐洲核子研究組

15、織（CERN）宣布，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的緊湊渺子線圈（CMS）探測(cè)到質(zhì)量為125.3±0.6GeV的新玻色子，超環(huán)面儀器（ATLAS）測(cè)量到質(zhì)量為126.5 GeV的新玻色子（5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）。這兩種粒子極像希格斯玻色子，但還有待物理學(xué)者進(jìn)一步分析來完全確定兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到的粒子是否為希格斯玻色子。2012年7月31日，緊湊子線圈實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)又分別提交新的偵測(cè)結(jié)果，將這種疑似希格斯波色子的玻色子的質(zhì)量確定為緊湊子線圈的125.3GeV。6 發(fā)現(xiàn)2000年，位于瑞士的歐洲核子研究中心（CERN）的工作人員通過世界上最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP攫取了115GeV的希格斯粒

16、子，但是他們當(dāng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足以做出任何確定的推論。2003年，物理學(xué)家試圖通過位于美國芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，讓質(zhì)子與反質(zhì)子相互對(duì)撞分析出希格斯粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，試圖證實(shí)或否定CERN先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是由于先前計(jì)劃從舊實(shí)驗(yàn)中回收反質(zhì)子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)同樣也到了更換的階段，需要很長的時(shí)間來修復(fù)，因此費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究遇到了一定的挫折。2008年8月，靠近瑞士和法國邊境的歐洲核子研究中心將開始運(yùn)行新的大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。這架大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)安放在位于地下175米深處，周長約為27公里的隧道中，計(jì)劃造價(jià)約為80億美元。計(jì)劃實(shí)施時(shí)，將有來自34個(gè)國

17、家150個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室近2000名科學(xué)家參加。樂觀的估計(jì)，將在2010年前后提供一個(gè)確切的答案。2012年7月4日CERN宣布，該中心的兩個(gè)強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目ATLAS和CMS發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，它的許多特征與科學(xué)家尋找多年的希格斯玻色子一致。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測(cè)到的新粒子是希格斯玻色子。7 致謝：感謝高宏老師本學(xué)期不辭勞苦的為大家?guī)聿灰粯拥奈锢碚n程，使同學(xué)們?cè)诤芏喾矫娑际芤娣藴\。感謝楊俊杰同學(xué)無償將Wi-Fi提供給我，使我在查找文獻(xiàn)資料時(shí)方便不少。參考文獻(xiàn)：1 希格斯玻色子.維基百科：2 “上帝粒子”發(fā)現(xiàn)六大影響：宇宙或面臨末日.科學(xué)探索: 3 Gri

18、ffiths, David, Introduction to Elementary Particles.2nd revised, WILEY-VCH.2008, 4 Goldstone,J;Salam,Abdus; Weinberg,Steven. Broken Symmetries .Physical Review.1962, 127(3): 965970.5 Ph. Anderson: "Plasmons, gauge invariance and mass." In: Physical Review. 130, 1963, p. 4394426 Ellis, John; Mary Gaillard, Dimitri Nanopoulos, A Historical Profile of the Higgs Boson.arXiv:1201.6045.201