希格斯玻色子

你肯定聽(tīng)說(shuō)過(guò)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(shí)。

之前我們介紹了場(chǎng)的思想，實(shí)際上基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型就是一種場(chǎng)論，所謂標(biāo)準(zhǔn)模型就是買(mǎi)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(chǎng)論，具體而言就是楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)。我們不需要知道什么是規(guī)范場(chǎng)，只需要知道規(guī)范場(chǎng)中用來(lái)傳遞作用力的粒子不能有質(zhì)量就行了，這是為了滿(mǎn)足某種規(guī)范對(duì)稱(chēng)性的必要條件。比如說(shuō)，在電磁場(chǎng)中傳遞相互作用的粒子是光子，因?yàn)楣庾記](méi)有質(zhì)量所以電磁場(chǎng)才具有某種對(duì)稱(chēng)性，因?yàn)橛辛藢?duì)稱(chēng)性，然后才能有電荷守恒。如果光子有質(zhì)量了，這種對(duì)稱(chēng)性就會(huì)被破壞，也就沒(méi)有電荷守恒了，這就是為什么這個(gè)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(huà)，傳遞電磁力的光子和傳遞強(qiáng)力的膠子確實(shí)都沒(méi)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(lái)說(shuō)就不能夠使用規(guī)范場(chǎng)來(lái)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(shí)候遇到的問(wèn)題。怎么辦呢？為了彌補(bǔ)這個(gè)問(wèn)題人們想了一個(gè)辦法。有沒(méi)有可能存在一種粒子，它原本是沒(méi)有質(zhì)量的，可是一旦它出生在世上，就會(huì)由于某種原因莫名其妙的獲得了質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量是后天機(jī)制獲得的，因此也就不會(huì)打破規(guī)范場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性了，我們就又可以使用楊米爾斯理論來(lái)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(méi)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(huì)不會(huì)覺(jué)得希格斯機(jī)制完全是為了滿(mǎn)足，我們可以用楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)來(lái)描述弱力的需求而胡編亂造的呢？

其實(shí)還真不是，因?yàn)橄８袼箼C(jī)制最早的靈感來(lái)源并不是粒子物理，而是凝聚態(tài)，具體點(diǎn)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(xiàn)能夠傳遞電流的物質(zhì)都有一種屬性叫做電阻，也就是對(duì)電流的阻礙程度，反映到微觀層面就是一個(gè)個(gè)電子過(guò)來(lái)了，物質(zhì)里面的原子和電子是一直在動(dòng)的，那電流的電子就會(huì)和它們發(fā)生碰撞，撞來(lái)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(méi)有電阻，電流就可以毫無(wú)阻礙的通過(guò)導(dǎo)體，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象的理論解釋最開(kāi)始就是由朗道和另外一個(gè)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(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)可以給光子賦予質(zhì)量。這塊有點(diǎn)不好理解了，什么叫給光子質(zhì)量呢？別著急，后來(lái)三個(gè)美國(guó)人給出了更具體的解釋?zhuān)@三個(gè)人是巴丁、庫(kù)珀和施里弗。他們?nèi)齻€(gè)人的理論名稱(chēng)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(lái)解釋是什么場(chǎng)能夠給光子質(zhì)量呢？這三位發(fā)現(xiàn)，在低溫下兩個(gè)電子會(huì)抱團(tuán)，形成一個(gè)電子對(duì)，學(xué)名叫做Cooper pair庫(kù)珀對(duì)，單個(gè)電子的自旋是1/2,也就是費(fèi)米子，但是兩個(gè)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(fèi)米子都是組成物質(zhì)的粒子，玻色子是用來(lái)傳遞作用力的粒子。那為啥庫(kù)珀對(duì)就不會(huì)受到阻礙呢？簡(jiǎn)單說(shuō)就是如果其中一個(gè)電子發(fā)生碰撞受到了一個(gè)阻力，那和它組隊(duì)的電子就會(huì)立刻給它一個(gè)大小相同方向相反的力來(lái)抵消，所以整體的看就像沒(méi)受到作用力一樣，電流也就不會(huì)受到損耗。好，現(xiàn)在來(lái)解釋什么叫做給光子以質(zhì)量。人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事，就是正常情況下電流的損耗不僅僅是因?yàn)殡娮雍推渌Ｗ影l(fā)生的碰撞，還有一個(gè)能量損耗的原因，我們知道，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成電磁場(chǎng)對(duì)吧，原則來(lái)說(shuō)這個(gè)電磁場(chǎng)就會(huì)通過(guò)輻射光子的形式釋放能量，只不過(guò)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(guò)這確實(shí)是不可避免的造成能量損耗的原因之一。那就有問(wèn)題了，在超導(dǎo)現(xiàn)象當(dāng)中，碰撞的原因由于庫(kù)珀對(duì)可以避免了，可是這種通過(guò)輻射光子來(lái)消耗能量的形式為什么也不存在了呢？答案就是庫(kù)珀對(duì)形成的玻色子場(chǎng)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(tīng)說(shuō)這樣一句話(huà)，就是水往低處流，這句話(huà)的含義就是能量總是自發(fā)的從高能趨向低能狀態(tài)，因?yàn)橄到y(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?cè)賮?lái)理解一下，電磁場(chǎng)為什么可以輻射光子？因?yàn)楣庾記](méi)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(duì)來(lái)說(shuō)一個(gè)有門(mén)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(jià)，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(huà)總結(jié)就是好像是這個(gè)庫(kù)珀玻色場(chǎng)給了光子以質(zhì)量。這就是超導(dǎo)的BCS理論。

這個(gè)理論被當(dāng)時(shí)的一個(gè)人注意到了，他叫做南部陽(yáng)一郎，這位獲獎(jiǎng)無(wú)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(lái)了，把剛才說(shuō)的現(xiàn)象起了名就叫做“自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺”，就是本來(lái)電磁場(chǎng)輻射光子很正常的事，這在物理學(xué)家看來(lái)就是對(duì)稱(chēng)的，但是莫名其妙出來(lái)一個(gè)場(chǎng)，它還能夠給粒子質(zhì)量，打破了這種對(duì)稱(chēng)性，這就是所謂的對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)性破缺。

接下來(lái)問(wèn)題就來(lái)了，在超導(dǎo)中能夠造成對(duì)稱(chēng)性破缺的是庫(kù)珀對(duì)，可是在粒子中這個(gè)場(chǎng)是啥呢？那就是希格斯場(chǎng)，而希格斯場(chǎng)的波動(dòng)就是希格斯玻色子，這個(gè)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(xiàng)工作中做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作，雖然他并不是第一個(gè)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(chǎng)是存在的，希格斯場(chǎng)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(duì)撞機(jī)LHC的不懈努力之下，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(guò)了一年在2013年3月14日，CERN公開(kāi)表示，之前發(fā)現(xiàn)的粒子正是希格斯玻色子。至此61個(gè)基本粒子終于集齊了！但物理學(xué)家的任務(wù)顯然沒(méi)有結(jié)束，因?yàn)槟銜?huì)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(wàn)有理論，我們當(dāng)然希望能夠把宇宙化繁為簡(jiǎn)，但是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論就像是冰與火，暫時(shí)還無(wú)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(jiǎn)單的運(yùn)行法則。

作者：媽咪說(shuō) 科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。