希格斯眼中上帝粒子

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1、希格斯眼中的上帝粒子希格斯眼中的上帝粒子欧洲核子中心大型强子对撞机的ATLAS探测器获得了数据的模拟粒子路径图。（凤凰科技配图）如果把物质分割得越来越小，会发生什么？最终，你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。到了这一步，你就已经抵达了标准模型（我们当前的粒子物理学理论）之中，我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质，到了这个地步，你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。夸克事实上还可以分成6种：构成质子

2、和中子的是较轻的上夸克和下夸克，另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族，即轻子：包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子，以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子，被统称为“费米子”，都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。如此简洁的基本粒子组合，与实验事实完美吻合，但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性，被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同

3、粒子的质量各不相同，从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克，跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方，为什么又如此千差万别呢？破缺的对称在标准模型之中，构成物质的费米子通过作用力发生相互作用，而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例，是它使得原子能够形成，驱动电流在我们的电器中奔腾，而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡：电子（携带1个负电荷）感受到的电磁力，就要强于夸克（携带-或者+个电荷）。不带电荷的中微子，根本感受不到电磁力。夸克还拥有各自的“色荷”，被称为胶子的

4、粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多，但奇怪的是，胶子本身也携带色荷，因而会彼此粘黏在一起。于是，我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游，只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。至于标准模型中的第三种作用力，弱核力的强度相当弱，但如果没有它，驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱，大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。在通常条件下，如果可以的话，物质粒子更愿意交

5、换没有质量的光子来发生相互作用。在极高的能量下，比如在宇宙诞生的最初一瞬间，或者粒子加速器的对撞当中，这些差异就消失了。电磁力和弱核力，在日常生活中相差如此之巨的两种作用力，变成了统一的“弱电力”。弱电力分裂成电磁力和弱核力的过程，被称为弱电对称破缺，必定发生在宇宙早期的某一时刻。不管是什么导致了这一过程的发生，它与质量之谜都有着明显的关联。毕竟，通过这一机制，W玻色子和Z玻色子获得了质量。希格斯玻色子最初就是提出来解释这个对称为什么会破缺的。概念的诞生对称破缺并不仅限于奇异的作用力。日常生活中我们都会遇到一个例子，那就是

6、液体冷却后变成固体。对于液体来说，从所有方向上看过去，它都是一样的。而对于固体来说，沿着不同的轴向看过去，它的样子会有明显的区别。在这个过程中，前面这种广义上的对称状态被后面这种不太对称的状态取代了。上世纪60年代，粒子理论学家开始研究，能不能发展出一些工具来描述这种对称破缺，以便应用于不断冷却的宇宙。这绝非易事。固体或液体之中分子的相互作用，可以通过一套固定的参照坐标系来定义，然而由于爱因斯坦的广义相对论，在宇宙之中你找不到这样一个标准的参照系。1964年，比利时理论学家罗伯特·布绕特（RobertBrout）和弗朗索瓦

7、·恩格勒（FranoisEnglert）提出了量子场方程，这种场能够弥漫于整个宇宙，在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。英国物理学家彼得·希格斯（PeterHiggs）提出了同样的方程，并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。同年稍晚些时候，杰拉德·古拉尼（GeraldGuralnik）、卡尔·哈庚（CarlHagen）和汤姆·基博尔（TomKibble）将这些概念整合成了一种更为现实的理论——这就是标准模型的前身。后来被称为希格斯场的这个东西，它的中心思想就在于：即使处于最低能的状态，空间也绝非空无一物。在空间中穿

8、行的粒子或多或少会与这个场发生作用，这种作用使粒子在运动时产生了一种“粘黏”的特性，也就是质量。W玻色子和Z玻色子通过与这个场的某种相互作用获得了它们的质量，费米子则通过另外一种相互作用获得了质量。由于希格斯场不携带净的电荷或者色荷，光子和胶子根本不与它发生作用，因此仍然没有质量。这是个漂亮的花招。为了