希格斯玻色子

你肯定聽說過上帝粒子，那什么是上帝粒子呢？為什么基本粒子的版圖中缺他不可呢？這里我們需要先補(bǔ)充一些基礎(chǔ)知識。

之前我們介紹了場的思想，實際上基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型就是一種場論，所謂標(biāo)準(zhǔn)模型就是買描述電磁力、弱力、強(qiáng)力這三種基本作用力，和組成物質(zhì)的所有基本粒子的一套場論，具體而言就是楊-米爾斯規(guī)范場。我們不需要知道什么是規(guī)范場，只需要知道規(guī)范場中用來傳遞作用力的粒子不能有質(zhì)量就行了，這是為了滿足某種規(guī)范對稱性的必要條件。比如說，在電磁場中傳遞相互作用的粒子是光子，因為光子沒有質(zhì)量所以電磁場才具有某種對稱性，因為有了對稱性，然后才能有電荷守恒。如果光子有質(zhì)量了，這種對稱性就會被破壞，也就沒有電荷守恒了，這就是為什么這個規(guī)范玻色子必須不能有質(zhì)量的原因。

可是如果是這樣的話，傳遞電磁力的光子和傳遞強(qiáng)力的膠子確實都沒有質(zhì)量了，然而傳力弱相互作用的規(guī)范玻色子W+-和Z0都是有質(zhì)量的，所以嚴(yán)格來說就不能夠使用規(guī)范場來描述弱力。這就是當(dāng)年溫伯格等人在考慮電弱統(tǒng)一的時候遇到的問題。怎么辦呢？為了彌補(bǔ)這個問題人們想了一個辦法。有沒有可能存在一種粒子，它原本是沒有質(zhì)量的，可是一旦它出生在世上，就會由于某種原因莫名其妙的獲得了質(zhì)量，這個質(zhì)量是后天機(jī)制獲得的，因此也就不會打破規(guī)范場的對稱性了，我們就又可以使用楊米爾斯理論來描述了。能不能有這種情況出現(xiàn)呢？能，后天獲得質(zhì)量的機(jī)制就是所謂的希格斯機(jī)制。而傳遞弱力的W±和Z玻色子就是這樣的粒子，它們本身沒有質(zhì)量，而是由于希格斯機(jī)制的存在才具有了質(zhì)量。你會不會覺得希格斯機(jī)制完全是為了滿足，我們可以用楊-米爾斯規(guī)范場來描述弱力的需求而胡編亂造的呢？

其實還真不是，因為希格斯機(jī)制最早的靈感來源并不是粒子物理，而是凝聚態(tài)，具體點是凝聚態(tài)中的超導(dǎo)現(xiàn)象。什么是超導(dǎo)？我們通常接觸的各種電線能夠傳遞電流的物質(zhì)都有一種屬性叫做電阻，也就是對電流的阻礙程度，反映到微觀層面就是一個個電子過來了，物質(zhì)里面的原子和電子是一直在動的，那電流的電子就會和它們發(fā)生碰撞，撞來撞去電流的電子速度也就減慢了，也就是存在一種阻礙。但是人們發(fā)現(xiàn)有一些材料，在極低的溫度下就可以沒有電阻，電流就可以毫無阻礙的通過導(dǎo)體，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。這個現(xiàn)象的理論解釋最開始就是由朗道和另外一個人金茲堡在1950年給出的，他們認(rèn)為在超導(dǎo)體中存在著一種莫名其妙的場，這個場可以給光子賦予質(zhì)量。這塊有點不好理解了，什么叫給光子質(zhì)量呢？別著急，后來三個美國人給出了更具體的解釋，這三個人是巴丁、庫珀和施里弗。他們?nèi)齻€人的理論名稱就是名字的首字母命名的，也就是所謂的超導(dǎo)的BCS理論，BCS理論的主要目的就是來解釋是什么場能夠給光子質(zhì)量呢？這三位發(fā)現(xiàn)，在低溫下兩個電子會抱團(tuán)，形成一個電子對，學(xué)名叫做Cooper pair庫珀對，單個電子的自旋是1/2,也就是費米子，但是兩個電子組成的Cooper pair自旋就是整數(shù)了，就變成玻色子了。一般情況下費米子都是組成物質(zhì)的粒子，玻色子是用來傳遞作用力的粒子。那為啥庫珀對就不會受到阻礙呢？簡單說就是如果其中一個電子發(fā)生碰撞受到了一個阻力，那和它組隊的電子就會立刻給它一個大小相同方向相反的力來抵消，所以整體的看就像沒受到作用力一樣，電流也就不會受到損耗。好，現(xiàn)在來解釋什么叫做給光子以質(zhì)量。人們發(fā)現(xiàn)了一個事，就是正常情況下電流的損耗不僅僅是因為電子和其他粒子發(fā)生的碰撞，還有一個能量損耗的原因，我們知道，電子的運動會形成電磁場對吧，原則來說這個電磁場就會通過輻射光子的形式釋放能量，只不過正常的電流中輻射出的光子能量都很微弱，所以我們很難觀察到。不過這確實是不可避免的造成能量損耗的原因之一。那就有問題了，在超導(dǎo)現(xiàn)象當(dāng)中，碰撞的原因由于庫珀對可以避免了，可是這種通過輻射光子來消耗能量的形式為什么也不存在了呢？答案就是庫珀對形成的玻色子場能夠給光子質(zhì)量。那為什么光子有質(zhì)量就不消耗能量了呢？咱們經(jīng)常聽說這樣一句話，就是水往低處流，這句話的含義就是能量總是自發(fā)的從高能趨向低能狀態(tài)，因為系統(tǒng)的能量越低就越穩(wěn)定，這就是自然界普遍存在的能量最低原理。那我們再來理解一下，電磁場為什么可以輻射光子？因為光子沒有質(zhì)量，這能量多低啊，但是一旦光子具有了質(zhì)量，就變成相對來說一個有門檻的高能態(tài)了，因此電子要想輻射出光子就要付出更高的代價，所以干脆就不輻射了唄。這就是為什么超導(dǎo)現(xiàn)象能夠達(dá)到0電阻的原因之一，一句話總結(jié)就是好像是這個庫珀玻色場給了光子以質(zhì)量。這就是超導(dǎo)的BCS理論。

這個理論被當(dāng)時的一個人注意到了，他叫做南部陽一郎，這位獲獎無數(shù)但為人十分低調(diào)，南部就是提出夸克的色荷標(biāo)準(zhǔn)的人，他也是弦理論的創(chuàng)始人之一。他就把超導(dǎo)當(dāng)中的BCS理論搬到粒子物理這來了，把剛才說的現(xiàn)象起了名就叫做“自發(fā)對稱性破缺”，就是本來電磁場輻射光子很正常的事，這在物理學(xué)家看來就是對稱的，但是莫名其妙出來一個場，它還能夠給粒子質(zhì)量，打破了這種對稱性，這就是所謂的對稱性破缺，而且不是人為的，就是一種自然現(xiàn)象，所以叫做自發(fā)對稱性破缺。

接下來問題就來了，在超導(dǎo)中能夠造成對稱性破缺的是庫珀對，可是在粒子中這個場是啥呢？那就是希格斯場，而希格斯場的波動就是希格斯玻色子，這個希格斯玻色子就是所謂的上帝粒子。那顧名思義物理學(xué)家希格斯在這項工作中做出了開創(chuàng)性的工作，雖然他并不是第一個做這方面理論的人。所以我們只要能夠找到希格斯玻色子，就能證明希格斯場是存在的，希格斯場存在那么希格斯機(jī)制就是存在的，基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型就算是完備了。

蒼天不負(fù)有心人，2012年7月，在CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC的不懈努力之下，發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量大約是125GeV左右的新玻色子，但是是不是希格斯粒子還有待確認(rèn)，又過了一年在2013年3月14日，CERN公開表示，之前發(fā)現(xiàn)的粒子正是希格斯玻色子。至此61個基本粒子終于集齊了！但物理學(xué)家的任務(wù)顯然沒有結(jié)束，因為你會發(fā)現(xiàn)在四大基本作用力中，我們最熟悉的引力并不在標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中，所以標(biāo)準(zhǔn)模型并不是萬有理論，我們當(dāng)然希望能夠把宇宙化繁為簡，但是量子力學(xué)和廣義相對論就像是冰與火，暫時還無法融合。但一些更新的理論，像是弦論、圈量子引力等都在進(jìn)行著大統(tǒng)一的嘗試。相信有生之年，我們一定可以揭示宇宙的全部奧秘，找到最簡單的運行法則。

作者：媽咪說 科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所副研究員

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。