希格斯粒子存在的预测与希格斯机制的研究——2013年诺贝尔物理学奖简介

2013年诺贝尔物理学奖 由彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·昂格勒(Francois Englert)获得．获奖理由是“理论性发现了一种机制，有助于我们理解亚原子粒子质量的起源，最近欧洲大型强子对撞机ATLAS和CMS的实验，对预测中的粒子进行了确认”．

图1 彼得-希格斯

现年84岁，1929年5月29日出生英国的理论物理学家，爱丁堡大学荣誉退休教授，他以希格斯机制与希格斯粒子而闻名于世．其希格斯机制理论也是于1964年提出．

图2 弗朗索瓦-恩格勒

现年80岁，1932年11月6日出生比利时的理论物理学家．1964年，恩格勒和罗伯特·布绕特(已故)共同提出希格斯机制与希格斯玻色子理论．

1 希格斯粒子与希格斯机制的引进

在20世纪60年代初，由于许多物理学家的研究，建立了粒子物理的“标准模型”，这个“标准模型”在统一描述强力、弱力和电磁力三种基本力，基本粒子家族、物质的组成等方面相当成功．但是，“标准模型”是Su(1)×Su(2)×Su(3)规范对称理论，而规范对称的方程得出来的粒子的质量应为零，这与实验不符．已知的粒子大部分都有质量，这些粒子质量从何而来？一时间，研究了几十年的规范理论走入了困境，这个理论得出了一个没有质量的世界．

物理学家们不愿意放弃规范理论，而又要使某些粒子得到质量，正是在这种历史背景下，提出了希格斯粒子与希格斯机制．这种机制被3个研究小组几乎同时提出：1964年，恩格勒和罗伯特·布绕特(Robert Brout，已故)共同提出希格斯机制与希格斯玻色子理论．同年，彼得·希格斯在《物理评论快报》发表文章，提出希格斯机制理论．另一组研究者，杰拉尔德·古拉尔尼克(Gerald Guralnik)、迪克·哈根(Dick Hagen) 和汤姆·基布尔(Tom Kibble)也在同一年独立提出类似的结果．

希格斯机制的基本思想是假设宇宙中存在一种无处不在的希格斯场，当它与其他规范粒子相作用的时候，因希格斯场的真空态不为零而产生自发对称破缺，使规范粒子获得质量，同时产生出一个带有质量的希格斯玻色子．

后来，有人认为，在宇宙大爆炸刚发生时，无数的正反粒子同时产生，轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用而获得质量．因而希格斯场粒子是轻子与夸克的质量之源，具有非常重要的地位，所以，科学界称希格斯粒子为“上帝粒子”．

2 希格斯粒子存在的实验证明

20世纪80年代，在美国费米实验室，发现了传递弱相互作用的中间玻色子W+,W-,Z0．1985年他们又发现了顶夸克t．至此，人们认为，标准模型预言的62种粒子中的61种都得到实验的证实，唯独关键的希格斯粒子没有找到，这不能不令人遗憾．因此，有不少人怀疑希格斯粒子的存在，其中，著名物理学家霍金就是代表性人物．

希格斯粒子到底是否存在，需要用实验作出证明．2010年3月欧洲核子研究中心(CERN)建成大型强子对撞机(LHC)并开始运行 ．此对撞机位于瑞士和法国交界处，加速器轨道长27 km,设计能量达14万亿电子伏(14 TeV)．2011年12月13日，大型强子对撞机的两个实验分别独立在质量为125 GeV附近，侦测到希格斯玻色子可能出现过的迹象．之后，2012年7月4日，LHC 两个主要团队——ATLAS与CMS的科学家宣布：发现了一种新的亚原子粒子，可能是人们苦苦寻找的希格斯粒子．但科学家同时表示，还需做许多工作来最后确定.2012年7月31 日，上述两个团队公布了关于发现疑似“上帝粒子”的研究论文，其中详细描述了新发现粒子衰变成γ射线、W和Z玻色子等物理过程．

2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，先前(2012年7月)探测到的新粒子就是希格斯玻色子．

3 与2013年诺贝尔物理学奖有关的故事

对“希格斯粒子存在的预测与希格斯机制的研究”作出贡献的是三个小组共6位物理学家．为什么仅希格斯赫赫有名，而提出“布劳特-昂格勒-希格斯机制”的另外两位物理学家却鲜为人知？为什么获奖的只是希格斯和昂格勒二人？这与一段故事有关．

3.1 三个小组共6位物理学家的工作

1964年有关 “希格斯”机制的主要论文共有4篇发表(见表1)．这三组科学家独立地探讨了场的对称性自发破缺机制，推测规范粒子可能通过这种方式获得质量．

表1 有关希格斯机制的4篇奠基性论文

3.2 温伯格的失手与希格斯的盛名

1967年美国顶级物理学家温伯格(Steven Weinberg)发表了探讨弱核力与电磁力的统一性的一篇论文，其中，悉数引用了表1的4篇文章，他不经意地把希格斯排在了其他人的前面．由于参考文献一般只能显示每篇引文的期刊名称、年份、卷号和页码，因此读者如果不去查原文的话，根本无法判断希格斯发表在《物理快报》(Phys. Lett.)的论文比其他3篇发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)的论文是早还是晚．由于大家对于温伯格的信任.就将希格斯的《物理快报》文章当作“希格斯”机制的开山之作，从而，希格斯获得了盛名．

3.3 诺贝尔奖的有关规定

按规定，诺贝尔科学奖项不得超过3人分享，而且该奖项也不能被追授，这就排除了在2011年去世的Robert Brout，而另一组3名科学家不易遴选出1人，因此均不考虑.这样一来，恩格勒和希格斯就成为今年诺贝尔物理奖的当然人选.

以上故事说明一种历史现象：观众视野中的事物表现，与事物的真实状况可能有些不同，有些甚至相差很远．