物理现象研究方法

1、Higgs Boson的提出与探寻历史徐清阳* 贺强 赵西大连海事大学 物理系 大连 辽宁 116026(20 May 2013)摘要：在第五次作业中，就质量之源的上帝粒子“希格斯玻色子”做了一些研究成果的收集与展示，但仍然觉得太过粗糙，之后又进行了深入的查找资料，并对资料进行了整理而得此文。本文章主要从Higgs boson的理论发展、重要性质、实验探索以及探寻历史等方面对其做更为详细的介绍。PACS: , 关键词：希格斯玻色子,理论发展,实验探索 正文0 引言为什么我们要介绍希格斯玻色子？为什么它如此重要？主要有两个原因：第一个是它是标准模型中唯一还没有被发现的粒子，因为它的质量最大，以前

2、加速器的能量都无法把它轰出来，只有LHC可以1。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，是其它粒子静质量的来源。1 提出1964年，英国物理学家彼得·希格斯（）发表了一篇学术理论文章，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在。他认为，这种玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界2。希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺，并将质量赋予规范玻色子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场 量子化激发

3、，它通过自相互作用而获得质量。欧洲 核子研究中 图1 标准模型的粒子之间相互作用 心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）将有机会发现希格斯粒子。这种理论中的粒子后来被别人以“希格斯”的名称命名，外号“上帝粒子”，是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。2 理论发展史1960年代初期，不少尚未证实的基本粒子逐渐被发现，很多关于基本粒子的理论也被提出，例如已被广泛接受的统一场论，但是物理学者知道这些理论并不完备，特别是这些理论无法解释为什么基本粒子会具有质量。这是一个很大的缺陷。1962年，杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理。根据这

4、定理，当连续对称性被自发打破后必会生成一种零质量玻色子，称为戈德斯通玻色子。带质量粒子比较难制成，粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子。零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同，零质量粒子很容易制成，或者可从缺失能量或动量推测其存在。然而，事实并非如此，物理学者无法找到其存在的任何蛛丝马迹。因此，戈德斯通定理似乎也否定了针对这缺口一些显而易见的解答34。1963年，菲利普·安德森发表论文指出，类似戈德斯通玻色子的准粒子也会出现在其它物理学领域，超导体的理论或许可以解释粒子物理学的问题，在固定不动的超导体里，一种特殊的电磁作用将戈德斯通玻色子变换为等离体子。他猜测，对于相对论性模

5、型，假若应用规范不变性理论来抵销戈德斯通理论的结果，戈德斯通玻色子问题应该可以迎刃而解5。1964年，分别有三组研究小组几乎同时地独立延伸发展出相对论性模型，其中，一组为弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特，另一组为彼得·希格斯，第三组为杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔。古拉尼于1965年、希格斯于1966年又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质。这些论文表明，假若将规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起，则规范玻色子必然会获得质量。1967年，史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆首先应用希格

6、斯机制来打破电弱对称性，并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论。 六位物理学者分别发表的三篇论文，在物理评论快报50周年庆祝文献里被公认为里程碑论文。2010年，他们又荣获理论粒子物理学樱井奖。同年，在他们之间，又发生了一点争执，万一因此获得诺贝尔物理学奖，由于每一年只能授予给三位杰出人士，而现在有六位人士做出了关键贡献，到底应该颁发物理学最荣誉的奖给哪三位人士？1964年6月，恩格勒团队发表了三页论文，他们指出，假定在量子真空里标量场（即希格斯场）的数值不等于零，则会引起自发对称性破缺，从而促使规范矢量场获得质量。由于电磁相互作用的光子与传递

7、弱相互作用的胶子都是规范矢量场，这结果是统一弱相互作用与电磁相互作用的关键。稍后，希格斯独立发表论文概述怎样能够应用局域规范不变性来回避戈德斯通定理。不久之后，希格斯发表第二篇论文，他将上述回避方法加以延伸应用于一种非常简单模型，借以描述规范矢量场怎样获得质量。在这篇论文里，希格斯给出后来知名为“希格斯玻色子”的假定量子的方程。希格斯的1966年论文推导出希子的衰变机制；只有带质量玻色子可以衰变，假若找到衰变的迹象，就可以证实希子存在6。古拉尼团队论文提到了恩格勒团队与希格斯分别独立于1964年发表的论文。这论文也推导出希子的存在，但是希格斯的希子具有质量，而古拉尼团队的希子不具有质量，这结果

8、令人疑问两种希子是否相同。在2009年与2011年发表的两篇论文中，古拉尼解释，在古拉尼团队给出的模型里，取至最低阶近似，玻色子的质量为零，但是这质量的数值没有被任何理论限制；取至较高阶，玻色子可以获得质量；另外，只有古拉尼团队论文明白写出模型里没有零质量戈德斯通玻色子，这论文是唯一对于整个希格斯机制给出完整分析的论文。 希格斯机制不但解释了规范玻色子怎样获得质量，还预测这些玻色子与标准模型的费米子之间的耦合。经过在大型电子正子对撞机（LEP）和史丹佛线性加速器（SLAC）做精密测量实验，很多预测都已经核对证实，因此确认大自然确实存在这一机制。但物理学者仍旧不清楚希格斯机制到底是怎样发生，他们

9、希望能从寻找希子所得到的结果获得一些这方面的证据。3 标准模型希子的性质稍微复杂一点，但更实际一点，在最小标准模型（minimal standard model）里，希格斯场是一个复值二重态（两个复值标量场，或四个实值标量场，两个带有电荷，两个是中性）。另外，还有规范场论的三个零质量规范玻色子（横场，如同光子一样，每个玻色子具有两个自由度）；一共有十个自由度。自发对称性破缺之后，每一个规范玻色子都会获得质量、同时添加一个纵场，总共有九个自由度，剩下的一个自由度是带质量的希子。三个带质量规范玻色子分别是带质量的W+、W-和Z玻色子。由于希格斯场是标量场（不会因洛伦兹变换 而改变），希子不具有自旋

10、。希子不带电荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性7。标准模型并没有预测希子的质量。假若质量在115和180GeV之间，则能量尺度直到普朗克尺度（1019GeV）上限，标准模型都有效。基于标准模型的一些不令人满意的性质，许多理论学者认为后标准模型（beyond the Standard Model）的新物理会出现于TeV能量尺度8。希子（或其他的电弱对称性破缺机制）能够具有的质量的尺度上限是1.4TeV；超过此上限，标准模型变得不相容，因为对于某些散射过程违反了幺正性（unitarity (physics)）。现今，学术界有超过一百种不同关于希格斯质量的理论预测9。理论而言，希子的质量或许可以间接

11、估计。在标准模型里，希子会造成一些间接效应。最值得注意的是，希格斯回路会造成W玻色子质量和 Z玻色子质量的小额度修正。通过整体拟合从各 个对撞机获得的精密电弱数据，可以估计希子的质量为GeV，或小于152GeV，置信水平95% 710。希子可能会与前面提到的标准模型粒子相互作用，但也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物质，这在近期天文物理学研究领域里，是很重要的论题1112。4 实验探索如同其它带质量粒子（例如，顶夸克、W及Z玻色子）的衰变行为，希子会在非常短暂时间内衰变成其它粒子，因此无法做实验直接观测到希子。但是，标准模型精确地预言所有可能衰变方式与其对应或然率，假若能够仔

12、细检验碰撞的衰变产物，就可以追踪希子的生成与衰变。1980年代，随着不断发展的粒子加速器的建成，实验探索开始释出关于希子的讯息。由于假定存在的希子的可能质量值域非常宽广，需要建造很多尖端设施来进行实验探索。这包括功能强大的粒子加速器、侦测。另外，还需要高功能电脑设施来处理与分析大量数据。所有可能质量都必须一个值域一个值域的仔细检验，逐渐缩紧探索范围。实验探索的当前目标是找到可能是希子的粒子。假若能够找到这粒子，下一步是仔细研究其性质，查明是否与标准模型预言的希子性质相同。假若性质相同，则可以证实新粒子的确是希子；否则，可能是生成截面不同，或者是衰变分支比（branching ratio）不同，

13、那么就必须将标准模型加以修正。5 探寻历史在电弱统一理论从建立到获得成功，其中一个关键的因素就是对称自发破残原理推测出来的希格斯玻色子，用它来解释电弱统一理论中的W+1、W-1、Z0玻色子非零质量的获得机制。但到如今，电弱统一理论已经获得了诺贝尔奖从而得到大家普遍的承认，而作为电弱统一理论基础的希格斯玻色子（X0）仍然没有在大家的视野中揭开它神秘的面纱，这个难题一直以来都困扰着所有从事基本粒子研究的爱好者们。虽说到现在为止还没有人发现它的踪迹，但很多实验表明了电弱统一理论是完全正确的，这使得人们相信它必然存在，发现它只是时间的问题。但是科学是一门以事实说话的学问，不是大家想当然的就能解决的问题

14、。因此找到一种合乎 图2电脑模拟绘制的希格斯玻色子出现事件自然辩证逻辑的理论是解释现象的关键。 为了修补上述理论的缺陷，英国物理学家希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的场中，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。之后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于标准模型之下。标准模型预言了62种基本粒子的存在，这些粒子基本都已被实验所证实，而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。CERN早前已表示，不会在今年公布发现了“上帝粒子”。2012年7月4日，欧洲核子研究组

15、织（CERN）宣布，大型强子对撞机(LHC)的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子，超环面仪器（ATLAS）测量到质量为126.5 GeV的新玻色子（5个标准差）。这两种粒子极像希格斯玻色子，但还有待物理学者进一步分析来完全确定两个探测器探测到的粒子是否为希格斯玻色子。2012年7月31日，紧凑子线圈实验团队和超环面仪器实验团队又分别提交新的侦测结果，将这种疑似希格斯波色子的玻色子的质量确定为紧凑子线圈的125.3GeV。6 发现2000年，位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）的工作人员通过世界上最大的正负电子对撞机LEP攫取了115GeV的希格斯粒

16、子，但是他们当时的统计数据不足以做出任何确定的推论。2003年，物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机，让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹，试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段，需要很长的时间来修复，因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。2008年8月，靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机（LHC）。这架大型质子对撞机安放在位于地下175米深处，周长约为27公里的隧道中，计划造价约为80亿美元。计划实施时，将有来自34个国

17、家150个研究实验室近2000名科学家参加。乐观的估计，将在2010年前后提供一个确切的答案。2012年7月4日CERN宣布，该中心的两个强子对撞实验项目ATLAS和CMS发现了同一种新粒子，它的许多特征与科学家寻找多年的希格斯玻色子一致。2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子是希格斯玻色子。7 致谢：感谢高宏老师本学期不辞劳苦的为大家带来不一样的物理课程，使同学们在很多方面都受益匪浅。感谢杨俊杰同学无偿将Wi-Fi提供给我，使我在查找文献资料时方便不少。参考文献：1 希格斯玻色子.维基百科：2 “上帝粒子”发现六大影响：宇宙或面临末日.科学探索: 3 Gri

18、ffiths, David, Introduction to Elementary Particles.2nd revised, WILEY-VCH.2008, 4 Goldstone,J;Salam,Abdus; Weinberg,Steven. Broken Symmetries .Physical Review.1962, 127(3): 965970.5 Ph. Anderson: "Plasmons, gauge invariance and mass." In: Physical Review. 130, 1963, p. 4394426 Ellis, John; Mary Gaillard, Dimitri Nanopoulos, A Historical Profile of the Higgs Boson.arXiv:1201.6045.201