探索希格斯玻色子的意义与作用

2012年7月4日最大的新闻是发现了希格斯玻色子，至少是0自旋、衰变产物等特性和希格斯玻色子一模一样的新粒子。这也是物理学在2012年最大的进展。判定这个粒子依据是：在质量125 G～126 G电子伏左右出现信号，置信度达到5个标准误差。大于5个标准误差意味着可信度大于99.99994%。

为什么希格斯玻色子如此重要？主要两个原因，第一个是它是标准模型中唯一还没有被发现的粒子，因为它的质量很大，以前加速器不足以发现它，只有欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）可以。第二个原因是它和电子、光子、夸克等我们耳熟能详的基本粒子不同，它是个奉献者，是其他粒子静质量的来源。

如果没有希格斯玻色子世界会变成什么样？那样的世界里，由于没有静质量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在运动。由于基本粒子间传递相互作用的速度就是光速，于是意味着难以存在由夸克形成的稳定原子核。而电子若静质量为零，更意味着不可能形成原子和分子。这样宇宙中变不会有出现各式各样的星球，更不会出现生命。

怎样比喻希格斯粒子给其他基本粒子提供质量的原理？希格斯粒子的发现完善了粒子物理的标准模型，标准模型的根基是量子场论，量子场论则是量子力学和狭义相对论的结合。在量子场论中，所有的粒子都是分布在全空间的场。场的最低能量状态叫“真空态”，随着能量的提高出现场的单粒子态、双粒子态、三粒子态等。而这个“真空态”并不是一无所有，因为场的最低能量并不为零。希格斯场与其他所有基本粒子的场都不同的是，它在宇宙诞生那一刻，真空态经历了瞬间的破缺，变成现在这个样子。正是这个瞬间破缺给了每一种基本粒子静质量（光子和胶子除外）。

在欧洲核子研究组织确认的希格斯玻色子，就是希格斯场经过真空对称性破缺后的产物，也可以说是希格斯场给了其他基本粒子静质量之后，剩下的那部分所对应的粒子。这部分还会跟很多粒子发生作用而产生衰变，所以能通过衰变产物来够探测到。当然它不会再给基本粒子们静质量了，因为在宇宙创生之初已经给过了。

粒子世界里，自旋为整数的粒子称为玻色子，如光子、胶子的自旋都是1。自旋为半整数的粒子称为费米子，如电子、夸克、中微子的自旋都是1/2。希格斯粒子属于玻色子，因为他的自旋是0，这也是目前知道唯一自旋是0的玻色子。

希格斯玻色子是如何被理论上预言的？主要原因来自量子场论的两个成果，物理学家一开始并没有看出这两个成果的深刻联系。借用一句评书体：花开两朵，各表一枝。第一枝是和杨振宁先生密切相关的杨-米尔斯（Yang-Mills）理论，第二枝是戈德斯通（Goldstone）定理。

杨振宁先生在物理学上最重要的贡献，并不是和李政道先生一起发现的宇称不守恒。他最重要的贡献是20世纪50年代和米尔斯（Mills）提出的杨-米尔斯场论，后来成了标准模型的核心。杨-米尔斯场论不允许有静质量的玻色子存在，而当时实验结果暗示传递弱相互作用的玻色子是有质量的，因此杨-米尔斯场论未受重视。另一方面，杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）在1962年证明了量子场论中，一个真空态存在自发对称破缺的标量场（自旋为0的场），会伴随着一个质量、电荷、自旋都是零的粒子出现。自然界当然没有这种粒子，所以戈德斯通定理一开始只被看成一个数学游戏。

杨-米尔斯场论和戈德斯通定理就这样同病相怜。时间很快到了1964年，量子场论出现了重大突破，布罗特（Brout）、恩格勒特（Englert）和希格斯（Higgs）等人的工作让前面这两个屌丝理论一夜之间合体成了高富帅理论。他们发现这两个理论是完美的互补！杨-米尔斯场论通过某些限定条件（学名规范对称性）限制了玻色子的形式，希格斯等人证明这些玻色子和戈德斯通定理中的对称破缺后标量场相互作用，会获得静质量，同时标量场剩余的部分就对应自旋为0但是有静质量的粒子。有些眼熟？没错，这就是希格斯机制和希格斯玻色子！

这就是希格斯机制的意义，同时挽救了杨-米尔斯场论和戈德斯通定理，一箭双雕，一石二鸟。之后进一步研究发现电子和夸克等费米子也能通过希格斯机制获得静质量（汤川耦合）。随后温伯格、萨拉姆、格拉肖三位物理学家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，并因此获得1979年诺贝尔物理学奖。(www.xing528.com)

粒子物理学的标准模型，就是包含希格斯机制的电弱统一理论，和描述强相互作用的量子色动力学（QCD）。而希格斯机制要求希格斯玻色子的存在。一旦找不到希格斯玻色子，那么标准模型就需要修改，物理学家必须给出其他的原因来解释杨-米尔斯规范玻色子和费米子的质量来源，模型都比希格斯机制复杂。

欧洲核子研究组织公布的新粒子，通过分析数据得到的结论表明95%以上的可能性就是标准模型中的希格斯玻色子。作为标准模型中最后一个被实验发现的粒子，可以说它标志着标准模型的实验证据完善。但标准模型并不是物理世界的终极理论，除了中微子质量等超出标准模型的现象之外，标准模型的基础——量子场论本身就不是终极的物理理论。

在更小的时空尺度下，基本粒子们所符合的可能是含有超对称的量子场论，而标准模型只是它在稍大尺度下的近似。如果时空尺度小到普朗克尺度之下，可能是超弦理论等含有引力的更深层次理论来主导这个世界。当然寻找他们的实验证据需要更大、更贵、更耗能的加速器，也许会超过人类文明的极限。

无论如何，人类还走在这条发现宇宙最基本单元的路上，大型强子对撞机的下一个目标是验证超对称。超对称是费米子和玻色子之间的深层次的内在联系，它如果存在，基本粒子的数量会翻番，三维空间也不再会满足要求，超弦理论就是超对称和弦论的结合，它要求空间是九维甚至是十维，人类对空间的观念将会产生变革。

最后还要补充一下，用“上帝粒子”这个外号来代表希格斯玻色子并不太好。实际上诺贝尔物理学奖得主莱德曼（Lederman）在其介绍希格斯玻色子科普书中，想把让物理学家非常头疼的希格斯玻色子起个外号叫“Goddamn particle”（遭天杀的粒子）。出版商觉得不妥，遂改为“God particle”（上帝粒子）。希格斯玻色子和上帝真的没有任何关系。

附：大型强子对撞机（large hadron collider，LHC）坐落在欧洲核子研究组织，是人类历史上最大的加速器。LHC通过周长27千米的圆形隧道加速两束方向相反的高能质子束，使两束质子产生撞击，通过撞击的能量将大质量的基本粒子从真空态中产生出来，再由ATLAS与CMS两个探测器探测粒子的衰变产物。

在发现希格斯玻色子的过程中，质子束每个质子的能量大约为5TeV（500亿电子伏），因此撞击能量达到5TeV之多。发现希格斯玻色子之后，LHC下一个目标是继续提高质子的能量，预计最大可达到7TeV，用以发现已知基本粒子的超对称伙伴粒子，甚至寻找暗物质和暗能量粒子。

大型强子对撞机命运多舛，2008年建成并调试，但是由于液氦泄漏事故，直到2009年年底才修复好并正式投入使用。期间，一些科学家还担忧LHC的高能撞击会产生灾难，比如产生小黑洞吞噬地球，产生由夸克组成的比质子和中子更稳定的粒子来毁掉这个世界。当然，这些都是建立在假说基础上的杞人忧天，因为太阳和地球天天受到更高能的宇宙射线轰击，也从未出现这样的灾难。