希格斯玻色子到底是什么?物理学家是否已经证明它真的存在?

东北大学基本粒子物理小组的斯蒂芬·鲁克罗夫特给出了以下介绍性回答:

“在过去的几十年里,粒子物理学家们开发了一个优雅的理论模型(标准模型),它为我们目前对自然界基本粒子和力的理解提供了一个框架。这个模型的一个主要组成部分是一个假设的、无处不在的量子场,它被认为负责赋予粒子质量(这个场将回答粒子为什么会有它们现在的质量这个基本问题,或者说,它们为什么会有任何质量)。这个场被称为希格斯场。根据波粒二象性,所有量子场都有一个与之相关的基本粒子。与希格斯场相关的粒子被称为希格斯玻色子。”

“因为希格斯场负责质量,许多物理学家认为,基本粒子确实有质量这一事实表明了希格斯场的存在。我们甚至可以将所有粒子物理数据,用假设的希格斯玻色子的质量来解释。换句话说,如果我们假设希格斯玻色子存在,我们可以根据它对其他粒子和场的影响来推断它的质量。然而,我们还没有真正证明希格斯玻色子的存在。未来几十年粒子物理学的主要目标之一是彻底证明希格斯玻色子的存在与否。”


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来自加州大学圣克鲁兹分校圣克鲁兹粒子物理研究所的物理学教授霍华德·哈伯和迈克尔·迪恩给出了另一个更详细的回答:

“当今基本粒子物理学的大部分研究都集中在寻找一种名为希格斯玻色子的粒子。这种粒子是我们目前对自然规律的理解(即标准模型)中缺失的一块。该模型描述了三种类型的力:电磁相互作用,它导致所有与电场和磁场以及电磁辐射光谱相关的现象;强相互作用,它结合原子核;以及弱核力,它支配着β衰变(一种天然放射性形式)和氢聚变(太阳能量的来源)。(标准模型不描述第四种力,引力。)

“在我们的日常生活中,电磁力是最熟悉的力。直到最近,它还是我们唯一了解得很好的力。然而,自 20 世纪 70 年代以来,科学家们对强力和弱力的了解几乎同样透彻。在过去的几年里,在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室 CERN 和斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 进行的高能实验中,物理学家们对标准模型进行了精确测试。它似乎提供了对自然界的完整描述,其尺度达到了原子核大小的千分之一。”

“希格斯粒子与弱力有关。电磁力描述了与光子相互作用的粒子,光子是电磁场的基本单位。类似地,现代的弱相互作用理论描述了与电子、中微子、夸克和其他粒子相互作用的粒子(WZ 粒子)。在许多方面,这些粒子类似于光子。但它们也截然不同。光子可能根本没有质量。从实验中我们知道,光子的质量最多只能是电子质量的千亿亿亿分之一(10-30),而且出于理论原因,我们认为它的质量恰好为零。然而,WZ 粒子却具有巨大的质量:超过质子质量的 80 倍,而质子是原子核的组成部分之一。”

WZ 粒子的巨大质量是一个谜。如果简单地假设这些粒子与已知的基本粒子相互作用并具有较大的质量,则该理论是不一致的。(例如,标准模型会预测,两个具有非常高能量的粒子相互碰撞的概率会大于 1,这在物理上是不可能的!)为了解决这个问题,必须有额外的粒子。解释 WZ 粒子质量的最简单模型只有一个这样的粒子:希格斯玻色子。还有其他提案,其中许多更为奇异。例如,可能存在多个希格斯玻色子,全新的强相互作用类型以及一种可能的新基本物理对称性,称为超对称性。”

“如果存在质量小于 Z 粒子质量的希格斯玻色子,物理学家将在未来两年内在日内瓦的大型加速器 LEP(大型电子正电子对撞机)中发现它。LEP 将电子及其反物质孪生粒子(正电子)加速到非常高的能量,然后让它们碰撞。如果希格斯玻色子具有更大的质量,它们可能会在世纪之交在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室被揭示。否则,我们很可能会在 2005 年在 CERN 投入运行的新加速器 LHC(大型强子对撞机)中找到它们。希格斯玻色子的发现是美国国会在 1993 年取消的超导超级对撞机的主要任务之一。”

“总而言之,希格斯玻色子是完善我们目前对标准模型(粒子物理学的理论大厦)理解的关键要素。如果存在不同类型的希格斯玻色子,可能会将我们带入超出标准模型的新物理领域。”

费米国家加速器实验室理论物理部门的研究员克里斯·奎格对这一问题进行了深入概述:

“当今粒子物理学的核心挑战是了解电磁力与支配放射性和太阳能量输出的弱相互作用之间的区别。粒子之间的基本相互作用源于我们在自然界中观察到的对称性。”

“现代物理学最近的伟大成就之一是量子场论,其中弱相互作用和电磁相互作用被理解为源于一个共同的对称性。这种‘电弱理论’已经得到了详细的验证,尤其是 CERN 的 LEP 对撞机进行的实验。尽管弱相互作用和电磁相互作用通过对称性联系在一起,但它们在日常世界中的表现却截然不同。电磁力的影响延伸到无限远的距离,而弱相互作用的影响则局限于亚核尺度,小于约 10-15 厘米。这种差异与电磁力的载体光子没有质量这一事实直接相关,而携带弱力的 WZ 粒子质量约为质子的 100 倍。”

“是什么隐藏了弱相互作用和电磁相互作用之间的对称性?这就是我们希望通过 CERN 大型强子对撞机 (LHC) 的实验来回答的问题。当 LHC 在 2005 年左右投入使用时,它将使我们能够研究能量接近 1 TeV 或一万亿 (1012) 电子伏特的夸克之间的碰撞。对 1 TeV 能量尺度的彻底探索将确定电弱对称性隐藏的机制,并告诉我们是什么使 WZ 粒子具有质量。”

“最简单的猜测可以追溯到英国物理学家彼得·希格斯和其他人在 20 世纪 60 年代的理论工作。根据这幅图景,质量的赋予者是一个中性的、自旋为零的粒子,我们称之为希格斯玻色子。在当今版本的电弱理论中,WZ 粒子以及所有基本成分(夸克和轻子)都通过与希格斯玻色子相互作用获得质量。但希格斯玻色子仍然是假设的;尚未被观察到。这就是为什么粒子物理学家经常使用寻找希格斯玻色子作为学习隐藏电弱对称性并赋予其他粒子质量的媒介的简写。”

“如果答案是希格斯玻色子,我们可以充分说明它的特性以指导搜索。不幸的是,电弱理论无法预测希格斯玻色子的质量,尽管一致性论证要求它的质量小于 1 TeV。已经进行的实验搜索告诉我们,希格斯的质量必须大于约 600 亿电子伏特 (GeV),即 0.06 TeV。”

“如果希格斯相对较轻,它可能会很快在 LEP 的电子-正电子湮灭中被看到,与 Z 一起产生。希格斯玻色子会衰变成一个 b 夸克和一个 b 反夸克。几年后,费米实验室的 Tevatron 的实验应该能够将搜索扩展到更高的质量,在质子和反质子之间的碰撞中寻找希格斯加 W 或希格斯加 Z 粒子。如果希格斯质量超过约 130 GeV,我们最大的希望在于 LHC。更高能量的电子-正电子对撞机,甚至是 μ 子对撞机,也可能发挥重要作用。”

“我们无法预测希格斯玻色子的质量是许多人认为这幅图景无法讲述全部故事的原因之一。我们正在寻找对电弱理论的扩展,使其更加连贯和更具预测性。其中有两个看起来很有希望。它们都意味着我们将在我们刚刚开始在费米实验室和 CERN 探索的高能量中发现大量新的粒子和新现象。一种方法是电弱理论的推广,称为超对称性,它将新的粒子与所有已知的夸克和轻子以及力粒子联系起来。超对称性需要几个希格斯玻色子,其中一个可能位于 LEP 开始调查的能量范围内。在另一种方法中,称为动态对称性破坏,希格斯玻色子不是基本粒子,而是一种复合粒子,一旦我们了解其组成部分及其相互作用,我们就可以计算其特性。”

“在接下来的 15 年里,我们应该开始真正了解质量的起源。兴趣不仅在于加速器实验的奥秘,还渗透到我们周围世界的一切:质量决定了力的范围,并设定了我们在自然界中看到的所有结构的尺度。”

“1993 年,英国科学部长威廉·沃尔德格雷夫挑战粒子物理学家用一页纸来解释希格斯玻色子是什么以及他们为什么如此渴望找到它。他在英国科学促进会年会上向五篇获奖论文的作者颁发了香槟。获奖论文的范围从严肃到异想天开。它们发表在 1993 年 9 月的英国物理学会月刊《物理世界》上,并且可以在网上查阅。”

有关希格斯粒子的更多信息,请查看《大众科学》电子书《希格斯玻色子:寻找上帝粒子》

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