■肖梅文

“上帝粒子”又叫希格斯玻色子，是由英國人希格斯等物理學(xué)家在上世紀(jì)60年代提出的一種基本粒子，被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源?？茖W(xué)家們?nèi)栽谂ふ移溘欅E，找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石。

定義

希格斯玻色子（或稱“上帝粒子”、希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實驗中觀察到。它也是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學(xué)家希格斯提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起自發(fā)對稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。

希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者萊德曼對希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學(xué)家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個粒子物理學(xué)界研究的中心，萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。

標(biāo)準(zhǔn)模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一描述，但是在能量低于一定條件后，電磁相互作用和弱相互作用將呈現(xiàn)為不同的相互作用，這被稱為電弱相互作用的對稱性自發(fā)破缺。希格斯粒子就是在標(biāo)準(zhǔn)模型解釋電弱對稱性自發(fā)破缺的機制時引入的。

研究歷史

英國物理學(xué)家希格斯（P·W·Higgs）提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起電弱相互作用的對稱性自發(fā)破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范玻色子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場 量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，簡稱LHC)將有機會發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。

自1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開始，直至如今，在一個多世紀(jì)的時間里，人類一直孜孜不倦的探索著微觀世界的奧秘。1995年3月2日，美國費米實驗室向全世界宣布他們發(fā)現(xiàn)了頂夸克時，一套稱之為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)模型所預(yù)言的62個基本粒子中的61個都已經(jīng)得到了實驗數(shù)據(jù)的支持與驗證，看上去標(biāo)準(zhǔn)模型馬上就要獲得決定性的勝利，對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索已經(jīng)到達(dá)了它的尾聲，似乎人類也馬上就要聽到這一跌宕起伏的，充滿了高潮與華彩的探索樂章的終曲，但是仍然有一個粒子，游離在這座輝煌的大廈之外，仿佛一個幽靈，這就是希格斯粒子，而且就是這個粒子可能會擊垮整座大廈。但是也許會為我們揭示出一條全新的探索旅途。就讓我們先來回顧一下上個世紀(jì)中期以來粒子物理學(xué)的發(fā)展歷史，以及現(xiàn)在處于主流的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。

電弱統(tǒng)一理論從建立到獲得成功，其中一個關(guān)鍵的因素就是對稱自發(fā)破殘原理推測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)量的獲得機制。但到如今，電弱統(tǒng)一理論已經(jīng)獲得了諾貝爾獎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，但很多實驗表明了電弱統(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)它只是時間的問題。但是科學(xué)是一門以事實說話的學(xué)問，不是大家想當(dāng)然的就能解決的問題。因此找到一種合乎自然辯證邏輯的理論是解釋現(xiàn)象的關(guān)鍵。

為了修補上述理論的缺陷，英國物理學(xué)家希格斯提出了希格斯場的存在，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驗所證實，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。

相關(guān)理論

科學(xué)家們建立起被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)理論，它把基本粒子分成3大類：夸克、輕子與玻色子。標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，就是該模型無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源。在本質(zhì)上，這個場就像一池黏黏的蜜糖，除了非質(zhì)量的基本粒子，通過此場的時候，會將粒子轉(zhuǎn)變成帶有質(zhì)量的粒子，就像是原子的成分。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯粒子包含了兩個中性與兩個帶電成分的區(qū)域。兩個帶電和一個中性區(qū)域皆是Goldstone玻色子，是縱向三極化分量帶質(zhì)量的W+、W-和Z玻色子。

維持中性成分的量子對應(yīng)到具有質(zhì)量的希格斯粒子。既然希格斯場是一個標(biāo)量場，希格斯粒子沒有自旋，也就沒有內(nèi)在的角動量。標(biāo)準(zhǔn)模型沒有預(yù)測希格斯玻色子的質(zhì)量。如果質(zhì)量在115和180 GeV/c2之間，則標(biāo)準(zhǔn)模型的能量等級可以有效直到普朗克尺度（1016 TeV）。

許多理論學(xué)家預(yù)測新的物理學(xué)會建構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)模型之上能量在TeV的尺度，基于不足的標(biāo)準(zhǔn)模型性質(zhì)。希格斯粒子(或其他的電弱對稱機制)可能的最大質(zhì)量是1.4 TeV；除了這一點，標(biāo)準(zhǔn)模型變的不相容，因為統(tǒng)一性違反了一些散射的過程。許多超對稱性的模型預(yù)測出最輕的希格斯粒子的質(zhì)量比現(xiàn)在實驗在高一點，大約120 GeV或者更低。

“大型強子對撞機”（LHC）

最新研究進(jìn)展

“上帝粒子”就像神話中的獨角獸一樣難覓影蹤。盡管科學(xué)家們?nèi)栽谂ふ移溘欅E，但致力于此項研究的歐洲核子研究中心近日表示，一些跡象表明，這種粒子也許真不存在，只是人們的“幻想”。

該機構(gòu)日前已經(jīng)向在印度孟買召開的相關(guān)研討會提交了報告，稱近來通過其大型強子對撞機找到的實驗數(shù)據(jù)都對找到希格斯玻色子的蹤跡 “意義不大”。與此同時，該中心許多科學(xué)家也認(rèn)為“希格斯玻色子不存在”的可能性越來越大。

在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，總共預(yù)言了62種基本粒子，其中61種都已被驗證，唯獨希格斯玻色子始終游離在物理學(xué)家的視野之外。找到這種粒子，就找到了建筑粒子物理學(xué)經(jīng)典理論大廈的最后一塊基石，如證明它不存在，整座大廈就要被推倒重建。

歐洲核子研究中心研究主任塞爾希奧·貝托盧奇說：“如果希格斯玻色子真的不存在，那么它的缺位將使人們的目光轉(zhuǎn)向‘新物理學(xué)’。”

此前，許多世界頂級物理研究機構(gòu)曾試圖通過對撞試驗尋找希格斯玻色子，但都沒有成功。美國費米國家實驗室的物理學(xué)家今年7月底發(fā)表報告說，他們已大幅度縮小了希格斯玻色子的搜尋范圍。