希格斯粒子及高能物理的新时代

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1、希格斯粒子及高能物理的新时代韩涛王连涛2012年7月4日将作为一个激动人心的日子载入基本粒子。它在标准模型当中起到极其微妙而重要的科学史册。在这一天，座落在法国和瑞士边境上的欧作用。从标准模型的建立到希格斯粒子发现前的四十洲核子中心（CERN）宣布在大型强子对撞机（LHC）多年中，各种夸克、轻子，以及基本相互作用的传播上发现了一个新的基本粒子，被称为希格斯粒子。粒子全部被发现，它们的性质也被大量的实验数据所2013年10月8日，比利时物理学家恩格勒特（Francois验证。但是，仅有这些内容的标准模型是不完整的。Englert）和英国物理学家希格斯（Peter

2、Higgs）因其希格斯粒子的发现从某种意义上讲使标准模型成为了1964年的理论工作被授予2013年度的诺贝尔物理学一个自洽的框架。但是这一发现并不意味着我们对基奖。这是高能物理近四十年来最重大的发现。它所带本粒子物理有了完整的认识。恰恰相反，希格斯粒子来的震动深刻地影响了整个基础理论的走向，使其进存在的本身提出了一系列更令人深思的问题。对这些入了一个全新的时代。本文将简单介绍这个奇妙的希问题的探索会决定今后至少几十年高能物理发展的格斯粒子以及希格斯机制，并展望和它有关的新物理。方向。人类对于自然界最基本的粒子的探索始于远古时1.什么是希格斯机制代。在早期的历史

3、中，尽管有一些智慧的思辨，但是我们先从标准模型中一个最关键的问题说起，那由于探索手段的限制，这些始终没有成为基于实验基就是基本粒子质量的起源。对这个问题的探索几乎是础的科学理论。这个情况一直到20世纪才得到根本随着基本粒子的发现同时开始的。比如，围绕电子的性的改变。从汤姆孙的阴极射线管，到卢瑟福的a粒质量就曾经有过很多早期的尝试。标准模型本身对这子散射，一直到高能粒子对撞机，人们对微观世界的个课题提出了新的问题。这不仅仅是因为诸多新的不探索不断深化，不同的基本粒子被相继发现。同时，同质量的粒子存在，更深刻的问题起源于标准模型中20世纪初诞生的相对论和量子力学的

4、结合和发展最终的粒子相互作用所具有的对称性。带来了量子场论，为认识基本粒子现象提供了坚实的对称性在物理学中有着至关重要的地位。它的存理论基础。最终在20世纪80年代初期，一个可以用在很大程度上决定了相互作用的形式。标准模型中的来描述全部所观测到的基本粒子的理论框架取得了足弱相互作用也不例外。夸克和轻子都是自旋为1/2的够多的实验验证，并得到了广泛的承认。这就是基本费米子。量子力学告诉我们每一个费米子都有两个自①②③粒子物理的标准模型。这个模型包括6种夸克和旋极化自由度±1/2。我们可以取粒子的运动方向为6种轻子。它描述了自然界的3种基本的相互作用：极化轴。极化

5、为+1/2和－1/2的费米子分别被称为是强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。这些相互“右手”的和“左手”的。而弱相互作用的对称性决作用也是通过基本粒子传播的，其传播粒子分别为胶定了只有左手的夸克和轻子可以有弱相互作用。如果子（强），W和Z（弱），以及光子（电磁）。为了我们考虑将一个对象转换为其镜像的变换，称为宇称解释基本粒子质量的来源，标准模型借用了希格斯机变换，左手和右手的极化在宇称变换下互换。这意味制并预言了一个新粒子的存在。希格斯粒子由此成了宇称在弱相互作用下是不守恒的。这正是李政道和杨基本粒子家族的新成员。振宁提出的著名的宇称不守恒。需要强调的是，希

6、格斯粒子的发现，其意义远远如果我们进一步思考，就会发现这里有一个让人超过发现一个新粒子。与夸克、轻子，以及传播子不同，十分疑惑的地方。标准模型中所有的夸克和轻子都是希格斯粒子是第一个被发现的自旋角动量为零的标量有质量的。对于有质量的粒子而言，自旋的极化是左25卷第6期(总150期)•3•手还是右手并不是一个洛伦兹不变量。这一点可以如赋予真空态特殊的性质，它还预言了一类新的粒子的下理解：有质量的粒子的运动方向在洛伦兹变换下是存在。对于每一种自发破缺的对称性（更准确地说是可以反转的。所以在一个参考系的存在弱相互作用的连续对称性），都会存在一个自旋为零的无质量的粒左

7、手粒子在另一个参考系可以是不存在弱相互作用的子，被称为南部-戈德斯通（Nambu-Goldstone）玻色子。右手粒子，如图1所示。因此，相对论或者说洛伦兹自发对称破缺和南部-戈德斯通玻色子在很多物理体对称性和弱相互作用的对称性在有质量的粒子身上不系中存在。这方面的一个著名的例子是超流现象。但可能同时适用。这似乎又为标准模型带来了新的问题，我们并没有在实验上观测到这样的粒子。解决这个问题的关键在于有质量的和无质量的矢量玻色子之间的区别。无质量的矢量玻色子有两个极化自由度，或者说是“横波”。我们最熟悉的例子是光子，只有两种可能的横向偏振。但是有质量的矢量粒子（如

8、W和Z）就不同，它们必须同时有3个不同