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彼得·希格斯（Peter Higgs），圖片來源：gov.uk
2013年3月14日，歐洲核子研究組織（Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire，簡(jiǎn)稱CERN）正式宣布，LHC（Large Hadron Collider，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）的緊湊渺子線圈（CMS）和超環(huán)面儀器（ATLAS）于2012年7月4日，測(cè)量到了被稱之為“上帝粒子”、具有零自旋與偶宇稱特點(diǎn)的希格斯玻色子（Higgs boson）。
歐洲核子研究中心可以說是世界上粒子物理研究最前沿的地方。二十多年以前，萬維網(wǎng)在這兒悄然誕生，之后的發(fā)展有目共睹。2012年，CERN宣告找到“上帝粒子”的消息震驚了全世界。第二年，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)將2013年的物理學(xué)獎(jiǎng)授予了與此相關(guān)的兩位理論物理學(xué)家：弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert, 1932-）和彼得·希格斯（Peter Higgs，1929-）[1]。
圖1左顯示的是瑞士日內(nèi)瓦西北部的郊區(qū)，左邊已經(jīng)能看到法國(guó)邊境處的農(nóng)田，背景是美麗的日內(nèi)瓦湖。漂亮的建筑、翠綠的草坪，你可能很難想象，在這一片寧?kù)o祥和的美景之下，隱藏著一個(gè)巨大的科學(xué)工程：歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。
LHC隱藏在100米深的地下，位于一個(gè)周長(zhǎng)27公里的巨大環(huán)形隧道內(nèi)。當(dāng)年，世界各國(guó)的科學(xué)團(tuán)體聯(lián)合建造這個(gè)世界上最大粒子加速器的主要目的，就是尋找希格斯粒子。這也是一臺(tái)世界上最昂貴的“顯微鏡”，幾年來，世界各國(guó)合作總耗資達(dá)130億美元，上萬人為此日夜辛勤工作，目的就為了追蹤一個(gè)平均壽命只有1.56×10?22秒（s）的小小的基本粒子。
圖2：希格斯玻色子的產(chǎn)生
這個(gè)不平常的“短命鬼”并非天然存在，因此，與其說是LHC“發(fā)現(xiàn)”了希格斯粒子，還不如說是“制造”出了希格斯粒子。事實(shí)上，科學(xué)家們是讓LHC隧道中的兩束質(zhì)子，以每秒11245圈的速度（接近光速）狂奔后相撞，在極小的空間內(nèi)爆發(fā)出等于十萬倍太陽(yáng)溫度的超高溫，并釋放出大量的能量和粒子，希格斯粒子就有可能產(chǎn)生其中。不過，質(zhì)子碰撞產(chǎn)生希格斯粒子的幾率很小，每1012次的對(duì)撞，才可能產(chǎn)生一次。而且希格斯粒子一旦產(chǎn)生后轉(zhuǎn)瞬即逝，在十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)就會(huì)衰變成其它的粒子。這就是為什么LHC耗資如此巨大，因?yàn)橐氩蹲降较８袼沽Ｗ犹蝗菀琢?/span>（見圖2）。雖然有人將其稱之為“上帝粒子”，但希格斯粒子與上帝，或者與上帝的存在與否，毫不相關(guān)。事實(shí)上，它的意義是為大多數(shù)物理學(xué)家所認(rèn)可的“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論中其它的基本粒子提供了一個(gè)“質(zhì)量來源”的機(jī)制。
為什么理論物理中有一個(gè)“質(zhì)量問題”？質(zhì)量，是我們從初中物理書中就熟知的概念，被定義為物體中“所含物質(zhì)的多少”。這能有什么問題呢？物理學(xué)的本質(zhì)是“追根溯源”，尋求“萬物之本”。質(zhì)量，在經(jīng)典物理中是無可非議的存在，但在現(xiàn)代物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中，卻要煞費(fèi)心機(jī)地去追溯它的“來源”。什么是標(biāo)準(zhǔn)模型呢？人類在永無止境的探索中，試圖將“萬物”歸納統(tǒng)一為最少數(shù)目的“基本元素”，其中一個(gè)描述各種粒子及粒子之間各種相互作用的較成功理論，就是標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model, SM）。標(biāo)準(zhǔn)模型中描述相互作用的是“規(guī)范場(chǎng)論”（Gauge Theory）。
圖3：希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖
規(guī)范場(chǎng)論數(shù)學(xué)上十分漂亮，但是當(dāng)時(shí)卻有一個(gè)缺陷：與其相關(guān)的粒子（規(guī)范粒子）的質(zhì)量只能為0，這會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模型（圖3）中所有基本粒子質(zhì)量都為0。這樣看來，美妙的理論卻導(dǎo)致了一個(gè)不符合實(shí)際的結(jié)果。實(shí)際結(jié)果是物理科學(xué)的“根基”，而理論之美，也是物理學(xué)家們舍不得放棄的“至愛”，幸虧后來有了希格斯機(jī)制（Higgs Mechanism）來解圍，使規(guī)范場(chǎng)的理論趨于完美。有關(guān)規(guī)范場(chǎng)，我們留待下一篇介紹，此篇僅介紹“自發(fā)對(duì)稱破缺”（spontaneous symmetry breaking） 如何解決質(zhì)量問題。
你或許并不熟悉南部陽(yáng)一郎（Yoichiro Nambu，1921-2015）的名字，但一聽就知道是一位日本人。其實(shí)他曾被譽(yù)為20世紀(jì)后半葉最偉大的理論物理學(xué)家之一，生于日本逝于日本，但大部分學(xué)術(shù)生涯在美國(guó)度過，是美籍日裔科學(xué)家中獲諾獎(jiǎng)第一人。而他對(duì)物理學(xué)的最主要貢獻(xiàn)—— “對(duì)稱性自發(fā)破缺”機(jī)制的研究，其重要的科學(xué)意義，也往往被低估。
圖4：超導(dǎo)（BCS）的對(duì)稱破缺（從U(1)到Z2）
陽(yáng)一郎于1970年加入美國(guó)國(guó)籍，2008年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，2015年7月5日在大阪去世。他是一個(gè)時(shí)代少有的先知先覺者，就像著名超對(duì)稱理論家布魯諾·朱米諾（Bruno Zumino，1923-）曾經(jīng)評(píng)價(jià)的那樣：“他總是比我們超前10年，所以我曾試圖理解他的工作，以便能對(duì)一個(gè)10年后將會(huì)興盛的領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)?？墒?，與我的期望相反，我費(fèi)了10年的工夫才理解他的工作。”
陽(yáng)一郎首先從量子場(chǎng)論的角度，用對(duì)稱破缺的概念，仔細(xì)研究了BCS超導(dǎo)理論問題。超導(dǎo)現(xiàn)象中起作用的是電子之間的電磁相互作用，根據(jù)規(guī)范理論，電磁場(chǎng)符合U(1)群所描述的相位旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性（圖4左）。但是，當(dāng)電子雙雙組成“庫(kù)珀對(duì)”之后，失去了相位360度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，只留下兩個(gè)元素Z2群的對(duì)稱性。U(1)到Z2對(duì)稱性的變化，改變了原來物質(zhì)能帶圖中的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)，改變了電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而形成了超導(dǎo)[2]。
BCS理論中的對(duì)稱破缺，與鉛筆從平衡位置倒下十分類似。平衡的鉛筆具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，但它可以向任何一個(gè)方向倒下，倒下后便失去了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。電磁作用中的“方程”類似于平衡的鉛筆；系統(tǒng)的“基態(tài)”不止一個(gè)，而是有無窮多個(gè)，類似于鉛筆可以倒下的無窮多個(gè)“方向”。也就是說，物理規(guī)律具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，“倒向”一個(gè)具體的“基態(tài)”后，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性就“破缺”了。
2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主中的另兩位日本本土物理學(xué)家小林誠(chéng)（Kobayashi Makoto，1944-）和益川敏英（Toshihide Maskawa，1940-）在對(duì)稱破缺研究方向上更進(jìn)一步。
1973年，29歲的小林誠(chéng)和33歲的益川敏英提出了“小林－益川理論”，解釋宇宙演化過程中粒子多于反粒子的原因[3]。他們研究了弱相互作用中CP對(duì)稱性的破壞，認(rèn)為粒子和反粒子之間除了電荷符號(hào)不同之外，還有一些微小的差異，這個(gè)微小差異引起CP自發(fā)對(duì)稱破缺，從而使得正粒子和反粒子衰變反應(yīng)的速率不同，之后造成正粒子數(shù)目遠(yuǎn)多于反粒子。根據(jù)他們的理論，應(yīng)該存在6種夸克，這種對(duì)稱破缺機(jī)制才能起作用，而當(dāng)時(shí)只發(fā)現(xiàn)了3種夸克，被預(yù)言的另外3種夸克分別在1974、1977、1995年被發(fā)現(xiàn)。此外，在2001年和2004年，美國(guó)斯坦福實(shí)驗(yàn)室和日本高能加速器分別獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)了“小林－益川理論”所描述的自發(fā)對(duì)稱破缺機(jī)制，得到了極為引人注目的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)初小林誠(chéng)和益川敏英的論文，發(fā)表在一個(gè)日本的物理專業(yè)雜志《理論物理進(jìn)展》（Progress of Theoretical Physics）上，雖然用的是英語(yǔ)，但好幾年都無人問津，幸好后來有人將此文介紹到物理界的主流社會(huì)，方才被大多數(shù)物理學(xué)家引用和知曉。自發(fā)對(duì)稱破缺展現(xiàn)了一個(gè)重要的科學(xué)結(jié)論：某些情況下，物理實(shí)驗(yàn)得到與自然規(guī)律（方程）不一樣的結(jié)果，那不一定是“實(shí)驗(yàn)違背了規(guī)律”，而是因?yàn)榉匠堂枋鲆话闱樾?，我們觀察到的物理世界只是方程的一個(gè)解。這個(gè)解是方程整體對(duì)稱性自發(fā)破缺后的結(jié)果。回到前面說的質(zhì)量問題：規(guī)范理論中粒子質(zhì)量都為0，但現(xiàn)實(shí)世界中存在很多有質(zhì)量的粒子?！斑@些質(zhì)量可能是來自于自發(fā)對(duì)稱破缺？”——這就是希格斯機(jī)制的想法。也就是說，希格斯機(jī)制首先假設(shè)所有粒子都沒有質(zhì)量，這些粒子構(gòu)造出漂亮的規(guī)范場(chǎng)理論和標(biāo)準(zhǔn)模型，然后再?gòu)囊?guī)范理論之外尋找一種方法，給所有的粒子加上它應(yīng)該有的質(zhì)量。于是，這種“無中生有”的“產(chǎn)生質(zhì)量”的各種方案應(yīng)運(yùn)而生。這其中最簡(jiǎn)單的并且大多數(shù)人最喜歡的一種，便是在1964年分別由三組研究人員獨(dú)立提出的希格斯機(jī)制。也不是一定要有Higgs粒子來提供質(zhì)量，還可以有別的方法。例如，根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論所得出的質(zhì)能關(guān)系：E = mc2，質(zhì)量和能量是互相聯(lián)系的?？梢哉f質(zhì)量的一部分可以來源于能量，這種質(zhì)量便與Higgs粒子沒什么關(guān)系。圖6：質(zhì)量的來源
比如說，如圖6a，設(shè)想一個(gè)無質(zhì)量的盒子，其中充滿了不停地從四壁來回反射的光子。光子及盒子都沒有靜止質(zhì)量，但是由于光子帶有總能量E，因而整個(gè)盒子可以有與能量相對(duì)應(yīng)的m=E/c2的質(zhì)量（圖6a）。
實(shí)際上，在我們即將介紹的標(biāo)準(zhǔn)模型中，質(zhì)子質(zhì)量的絕大部分就是來源于與上述光子盒類似的機(jī)制（圖6b）。質(zhì)子的靜止質(zhì)量為938MeV，組成質(zhì)子的三個(gè)夸克的總質(zhì)量?jī)H為11MeV，剩余的927 MeV的質(zhì)量從何而來呢？是來源于強(qiáng)相互作用的傳遞粒子“膠子”。膠子g和光子g一樣，沒有靜止質(zhì)量，但質(zhì)子中的許多膠子在一起運(yùn)動(dòng)和相互作用，因此具有的束縛能，便是質(zhì)子中絕大部分質(zhì)量的來源。如果空間中存在某種場(chǎng)，場(chǎng)與在其中運(yùn)動(dòng)的粒子相互作用。這種作用的結(jié)果便有可能改變運(yùn)動(dòng)粒子的能量，從而賦予粒子以相應(yīng)的“質(zhì)量”，這是希格斯機(jī)制能夠賦予粒子質(zhì)量的基本道理。
場(chǎng)的真空態(tài)是能量最低的狀態(tài)。但是一般來說，能量最低的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于場(chǎng)強(qiáng)為0。如果場(chǎng)的勢(shì)能曲線比較特別，比如通常使用的所謂“墨西哥帽子”的形狀（圖6c）。這時(shí)，能量最低的狀態(tài)是無限簡(jiǎn)并的，即如圖6c所示的墨西哥帽向下凹的一圈。這一圈的能量最低，但場(chǎng)強(qiáng)卻不為0。希格斯場(chǎng)的真空態(tài)，便可以由這種勢(shì)能曲線描述的系統(tǒng)，產(chǎn)生“自發(fā)對(duì)稱破缺”而得到，就像圖中所畫的小球無法停在中間能量較高的不穩(wěn)定位置，最后朝一邊滾下到谷底某一點(diǎn)的情形。因此，希格斯機(jī)制假設(shè)真空中存在著場(chǎng)強(qiáng)非零且穩(wěn)定的希格斯場(chǎng)。這種場(chǎng)無處不在，無孔不入，質(zhì)量為零的各種基本粒子身陷其中，與希格斯場(chǎng)相互作用，并且獲得它應(yīng)該具有的質(zhì)量。
從現(xiàn)代場(chǎng)論的觀點(diǎn)，場(chǎng)的激發(fā)態(tài)便表現(xiàn)為粒子。希格斯場(chǎng)的真空態(tài)有4種激發(fā)模式（圖6c的左上圖），其中沿著勢(shì)能曲線對(duì)稱軸繞圈的相位變化模式有3種，對(duì)應(yīng)于3種質(zhì)量為0的Goldstone粒子（戈德斯通粒子），這些粒子在與其它粒子反應(yīng)時(shí)消失不見，也稱被“吃”掉了，只有一種沿著勢(shì)能曲線“徑向”振動(dòng)的激發(fā)模式對(duì)應(yīng)于有質(zhì)量的場(chǎng)粒子，也就是被大家稱之為“上帝粒子”的希格斯粒子。
綜上所述，希格斯粒子解決了質(zhì)量的問題，物理學(xué)家們得以在規(guī)范場(chǎng)的基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)模型理論，將除了引力之外的其它三種力，統(tǒng)一在同一個(gè)模型中。標(biāo)準(zhǔn)模型包括了61種基本粒子，而希格斯粒子是這些粒子中，最后一個(gè)被“發(fā)現(xiàn)”的。因此，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，毫無疑問地成為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的重要里程碑。
[1]Higgs P W. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons[J]. Physical Review Letters，1964，13 (16): 508–509.
[2]Nambu, Y.; Jona-Lasinio, G. (October 1961)."Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II". Physical Review 124: 246–254。.
[3]M. Kobayashi, T. Maskawa (1973). "CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction". Progress of Theoretical Physics 49 (2): 652–657.
