带你认识“上帝粒子”

■肖梅文

“上帝粒子”又叫希格斯玻色子，是由英国人希格斯等物理学家在上世纪60年代提出的一种基本粒子，被认为是物质的质量之源。科学家们仍在努力寻找其踪迹，找到这种粒子，就找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石。

定义

希格斯玻色子（或称“上帝粒子”、希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。

希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，“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。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前已成为整个粒子物理学界研究的中心，莱德曼更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”。

标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。

研究历史

英国物理学家希格斯（P·W·Higgs）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，它通过自相互作用而获得质量。欧洲核子研究中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。

自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，直至如今，在一个多世纪的时间里，人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。但是也许会为我们揭示出一条全新的探索旅途。就让我们先来回顾一下上个世纪中期以来粒子物理学的发展历史，以及现在处于主流的标准模型理论。

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。因此找到一种合乎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。

相关理论

科学家们建立起被称为标准模型的粒子物理学理论，它把基本粒子分成3大类：夸克、轻子与玻色子。标准模型的缺陷，就是该模型无法解释物质质量的来源。在本质上，这个场就像一池黏黏的蜜糖，除了非质量的基本粒子，通过此场的时候，会将粒子转变成带有质量的粒子，就像是原子的成分。在标准模型中，希格斯粒子包含了两个中性与两个带电成分的区域。两个带电和一个中性区域皆是Goldstone玻色子，是纵向三极化分量带质量的W+、W-和Z玻色子。

维持中性成分的量子对应到具有质量的希格斯粒子。既然希格斯场是一个标量场，希格斯粒子没有自旋，也就没有内在的角动量。标准模型没有预测希格斯玻色子的质量。如果质量在115和180 GeV/c2之间，则标准模型的能量等级可以有效直到普朗克尺度（1016 TeV）。

许多理论学家预测新的物理学会建构在标准模型之上能量在TeV的尺度，基于不足的标准模型性质。希格斯粒子(或其他的电弱对称机制)可能的最大质量是1.4 TeV；除了这一点，标准模型变的不相容，因为统一性违反了一些散射的过程。许多超对称性的模型预测出最轻的希格斯粒子的质量比现在实验在高一点，大约120 GeV或者更低。

“大型强子对撞机”（LHC）

最新研究进展

“上帝粒子”就像神话中的独角兽一样难觅影踪。尽管科学家们仍在努力寻找其踪迹，但致力于此项研究的欧洲核子研究中心近日表示，一些迹象表明，这种粒子也许真不存在，只是人们的“幻想”。

该机构日前已经向在印度孟买召开的相关研讨会提交了报告，称近来通过其大型强子对撞机找到的实验数据都对找到希格斯玻色子的踪迹 “意义不大”。与此同时，该中心许多科学家也认为“希格斯玻色子不存在”的可能性越来越大。

在粒子物理学的标准模型中，总共预言了62种基本粒子，其中61种都已被验证，唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外。找到这种粒子，就找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石，如证明它不存在，整座大厦就要被推倒重建。

欧洲核子研究中心研究主任塞尔希奥·贝托卢奇说：“如果希格斯玻色子真的不存在，那么它的缺位将使人们的目光转向‘新物理学’。”

此前，许多世界顶级物理研究机构曾试图通过对撞试验寻找希格斯玻色子，但都没有成功。美国费米国家实验室的物理学家今年7月底发表报告说，他们已大幅度缩小了希格斯玻色子的搜寻范围。