1、 希格斯玻色子 引言：粒子物理標準模型被認為是20世紀物理學最成功的模型之一，是人們理解物質世界微觀結構及其相互作用的集大成之作。希格斯機制(Higgs mechanism)使得基本粒子獲得質量，同時預言了希格斯玻色子(Higgs Boson)的存在。歐洲大型強子對撞機在2012 年的實驗中發現了疑似標準模型的希格斯粒子。2013年 10 月 8 日，瑞典皇家科學院公布，來自比利時布魯塞爾自由大學的弗朗索瓦恩格勒(Francois En-glert)和英國愛丁堡大學的彼得希格斯(Peter Higgs)因在理論上預言希格斯玻色子存在共同獲得了2013 年諾貝爾物理學獎。同年 12 月 10日，

2、希格斯和恩格勒在斯德哥爾摩榮獲諾貝爾獎章，并分享了相當于 775000 英鎊的獎金。本文著重介紹彼得希格斯的生平，希格斯機制的提出過程，希格斯粒子名稱的由來以及希格斯粒子的發現等。關鍵詞：希格斯機制 希格斯粒子 標準模型 電弱對稱性自發破缺機制正文：一：發現歷程1964 年：彼得希格斯（Peter Higgs）是明確預測這種粒子存在的第一人。 1964 年 10 月，以他的名字將這種粒子正式命名為希格斯粒子，但其他一些物理學家也認為自己是提出這種產生質量玻色 子 存 在 的 人 。 同 年 8 月 ， 羅 伯 特布 洛 特（Robert Brout ） 和弗朗索瓦恩格勒特 （Fran-cois

3、 Englert） 獨立地詳述了這種質量生成的機制。 另一組科學家迪克哈根（Dick Hagen）、杰拉爾德古拉尼克（Gerald Guralnik）和湯姆基布爾（Tom Kibble）也獨立提出了類似的推測，并于希格斯之后不久，于同年 11 月公開了他們的理論。1995 年 ：即使沒有發現希格斯玻色子 ，我們仍然有希格斯機制存在的證據。 因這種機制的存在，導2001 年： 在 LHC 之前，CERN 在大型正負電子對撞機（LEP）于 2000 年關閉之前，花了五年時間尋找 80 GeV 的希格斯粒子，2001 年的最終分析排除了質量在 115GeV 以下的希格斯粒子。2004 年 ：在 LE

4、P 關閉和 LHC 開啟之間的這段時間內，芝加哥費米實驗室是最有可能找到希格斯粒子的地方。 Tevatron 獲得了高于 117 GeV 的希格斯粒子的實驗數據，最高上限為 251 GeV。2007 年 ：LHC 以比以往任何加速器更高的能量粒子碰撞， 所以針對較輕希格斯粒子的實驗增加了 Te-vatron 發現希格斯粒子的幾率。 隨著來自 CERN 的壓力越來越大，費米實驗室將最高上限降低到了 153 GeV。2008 年： 一億人觀看質子束首次繞 LHC 旋轉的情景， 一些人并產生了一種沒有根據的恐懼，害怕它有可能造成一個毀滅世界的黑洞。 由于煤氣泄露事件導致加速器關閉，CERN 尋找希格

5、斯的努力暫時停止直到次年。2009 年:由于 LHC 一直要關閉到 11 月 ，費米實驗室的研究人員滿懷希望稱， 到 2010 年底，他們用 Tevatron 找到希格斯玻色子的機會可達50。2010 年:物理博客紛傳 Tevatron 發現了希格斯粒子存在的跡象，但最終證明只是謠傳。2011 年:4 月， 一項未經審核的 LHC 研究在網上泄露之后， 掀起了新一輪關于希格斯粒子的傳聞。 9 月，Tevatron 實驗結束，沒有找到希格斯粒子。 年底，LHC 的 ATLAS 和 CMS 實驗項目都發現了約 125 GeV 質量的希格斯粒子。2012 年 ：2 月 ，LHC 的碰撞能量從 7 T

6、eV 提高到 8 TeV， 對希格斯粒子的敏感度提高了 30至40。 3 月，根據 Tevatron 最后的實驗數據，希格斯粒子的質量在 115 與 152 GeV 之間。7 月 4 日：CERN 發布了尋找希格斯粒子的最新消息，成為最近十年里物理學界最受關注的事件。致標準模型作出了一系列成功的預測， 包括發現已知最重粒子頂夸克在內。 1995 年，正如所預見的那樣，CERN 在美國芝加哥的競爭對手費米實驗室用“萬億伏特粒子加速器”（Tevatron），將帶電粒子加速到大約 176 千兆電子伏特（GeV），發現了頂夸克。二：物理理論希格斯玻色子是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子。它

7、也是標準模型中最后一種未被發現的粒子。物理學家希格斯提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起自發對稱性破缺，并將質量賦予規范傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發，它通過自相互作用而獲得質量。2012年7月2日，美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布，該實驗室最新數據接近證明被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。2013年2月4日，該實驗室確認上帝粒子的存在。標準模型標準模型是一套描述強作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它屬于量子場論的范疇，但是沒有描述重力。標準模型包含費米子及玻色子兩類費米子為擁有半整數的自旋并遵守泡利不相容原理（這原理指

8、出沒有相同的費米子能占有同樣的量子態）的粒子；玻色子則擁有整數自旋而并不遵守泡利不相容原理。簡單地說，費米子組成物質的粒子，而玻色子負責傳遞各種作用力。電弱統一理論與量子色動力學在標準模型中合并為一。這些理論都基于規范場論，即把費米子跟玻色子配對起來，以描述費米子之間的力。由于每組中介玻色子的拉格朗日函數在規范變換中都不變，所以這些中介玻色子就被稱為“規范玻色子”。標準模型所包含的玻色子有：希格斯玻色子負責傳遞電磁力的光子；負責傳遞弱核力的W及Z玻色子；負責傳遞強核力的8種膠子。希格斯玻色子也是一種玻色子，然而它與上述這些規范玻色子不同，希格斯粒子負責引導規范變換中的對稱性自發破缺，是慣性質量

9、的來源，因此并不是規范玻色子。那么為何質量問題如此重要呢？要解答這個問題，必須回到20世紀60年代理論探索的開始階段。在研究過程中，楊-米爾理論無論應用到弱還是強相互作用中所遇到的主要障礙就是質量問題，由于規范理論規范對稱性禁止規范玻色子帶有任何質量，然而這一禁忌卻與實驗中的觀測不相符合，如果不能解決質量問題，將使得整個研究失去基礎。一開始人們試圖通過自發對稱破缺機制，即打破規范理論中對拉氏量對稱性的嚴格要求，使得物理真空中的拉氏量不再滿足這種對稱性，然而到了1962年，每一個自發對稱性破缺都被證明必定伴隨著一個無質量無自旋粒子，這無疑也是不可能的。1964年，英國物理學家希格斯（Higgs）

10、解決了這個問題，使得自發對稱性破缺發生時，那個無質量無自旋粒子仍然存在，但它將變成規范粒子的螺旋性為零的分量，從而使規范粒子獲得質量。這一方法被今天的標準模型所借鑒，標準模型通過引入基本標量場希格斯場來實現所謂希格斯機制。通過希格斯場產生對稱性破缺，同時在現實世界留下了一個自旋為零的希格斯粒子。這樣我們也就明白了為何希格斯粒子如此重要的原因，可以說它是整個標準模型的基石，如果希格斯粒子不存在，將使整個標準模型失去效力。 科學家們建立起被稱為標準模型的粒子物理學理論，它把基本粒子分成3大類：夸克、輕子與玻色子。標準模型的缺陷，就是該模型無法解釋物質質量的來源。在本質上，這個場就像一池黏黏的蜜糖，

11、除了非質量的基本粒子，通過此場的時候，會將粒子轉變成帶有質量的粒子，就像是原子的成分。在標準模型中，希格斯粒子包含了一個中性與兩個帶電成分的區域。兩個帶電和一個中性區域皆是Goldstone玻色子，是縱向三極化分量帶質量的W+、 W和 Z 玻色子。維持中性成分的量子希格斯玻色子對應到具有質量的希格斯粒子。既然希格斯場是一個標量場，希格斯粒子沒有自旋，也就沒有內在的角動量。標準模型沒有預測希格斯玻色子的質量。如果質量在115和180 GeV/c2之間，則標準模型的能量等級可以有效直到普朗克尺度（1016 TeV）。許多理論學家預測新的物理學會建構在標準模型之上能量在TeV的尺度，基于不足的標準模

12、型性質。希格斯粒子（或其他的電弱對稱機制）可能的最大質量是1.4 TeV；除了這一點，標準模型變的不相容，因為統一性違反了一些散射的過程。許多超對稱性的模型預測出最輕的希格斯粒子的質量比現在實驗在高一點，大約120 GeV或者更低。對稱性自發破缺:粒子物理學家認為，我們所處的世界相對于理論物理中的某些能標，是一個能量很低的狀態。因此，只要構成我們世界的基本規律允許，我們完全有可能處在一個對稱性自發破缺了的世界。理論物理學家用對稱性自發破缺解釋弱相互作用和電磁相互作用的分離，其中最重要的機制是希格斯機制。涉及到的一系列理論被稱為粒子物理的標準模型。在該理論下，電磁相互作用和弱相互作用原本是同一個

13、相互作用，稱為電弱相互作用。電弱相互作用與希格斯場耦合，由于希格斯場具有特殊的勢函數，而世界又要選擇能量低的狀態。那么，希格斯場將會由原來具有su(2)對稱性的場破缺為沒有對稱性的場。破缺使得傳遞弱相互作用的粒子獲得很大的質量，從而弱相互作用比電磁作用弱得多。9維至8維-五期希格斯玻色子的能量（eV），大?。╟m）及分裂結構表所在時空維度：第9維（含第8維）的希格斯場宇宙時間：10秒至10秒五期希格斯玻色子單位能量（eV）及大?。╟m)時空維度本質：能量：2.9812102 4eV至6.77841011波長：6.6210-30cm至1.8310-16cm（2p）（注1,2）自：普朗克（單位）能

14、量：1.22111028eV，及普朗克（單位）長度1.61610cm 的分裂次數第9維希格斯場-前期二次大爆炸（大爆脹）宇宙時間：10秒-10秒第9維希格斯場-中期宇宙時間：10秒至10秒第9維希格斯場-后期宇宙時間：10秒至10秒（電,弱力統一場）【注：10秒時，第3代：夸克被禁閉（表2-1注：4），產生高能量超子，第8維時空誕生】第五期希格斯玻色子希格斯玻色子：能量及大小7.45310eV至1.8191020eV2.647610cm至1.0841025cm衰變并結合為-第10,9代-夸克第四期希格斯玻色子希格斯玻色子：能量及大小1.8191020至4.44231016eV1.0841025

15、cm至4.4421022cm衰變并結合為-第8,7代-夸克，第三期希格斯玻色子希格斯玻色子：能量及大小4.44231016eV至1.08451013eV4.4421022cm至1.81941018cm衰變并結合為-第6,5代-夸克，第二期希格斯玻色子希格斯玻色子：能量及大小1.08451013至1.69461011eV1.81941018cm至1.16441016cm衰變并結合為-第4,3代-夸克，第一期希格斯玻色子希格斯玻色子：能量及大小1.69461011eV;7.31651016cm衰變并結合為-第2,1代-夸克，五期希格斯玻色子存在于所有規范粒子中，是10代夸克及10代電子，微中子（即

16、輕子）的質量來源第五期-自普朗克能量分裂14至16次（1.2210eV2至2）時空維度能量：2.981210eV至7.27831020eV時空維度波長：6.6210cm至2.711026cm上述能量區為：本宇宙二次大爆炸區（大暴脹區）第四期-自普朗克能量分裂26至38次（1.2210eV2至2）時空維度能量：7.27831020至1.77691017eV時空維度波長：2.711026至1.1110-22cm第三期-自普朗克能量分裂38至50次（1.2210eV2至2）時空維度能量：1.77691017eV至4.33821013eV時空維度波長：1.1110-22至4.5510-19cm第二期-

17、自普朗克能量分裂50至56次（1.2210eV2至2）時空維度能量：4.33821013至6.77841011eV時空維度波長：4.5510-19至2.9111017cm第一期-自普朗克能量分裂56次（1.2210eV2）時空維度能量：6.77841011eV至6.26191011eV時空維度波長：1.831016cm（2p）至1.981016cm（2p）（表2-1注1,2）能量較低的第2期希格斯玻色子分裂組合成為： t，b，t,b夸克. 而第2期WWZ弱玻色子分裂為電子及電子，當分裂出第3代t,b夸克及電子時，即第8維時空的誔生（第4代t，b，夸克及第4代電子，因能量太高尚未發現）折疊方程簡

18、式用方程式可以簡要的表達以下這種變化：一、夸克（K+2/3、K-2/3）、味玻色子（W+1、W-1）及電荷粒（E+1、E-1）的生成方程H+8/3 K+2/3 + W+1 + E+1H-8/3 K-2/3 + W-1 + E-1二、夸克（K-1/3、K+1/3）、味玻色子（W+1、W-1）及中微子（M 0）的生成方程V-4/3 K-1/3 + W-1 + M 0V+4/3 K+1/3 + W+1 + M 0三、希格斯玻色子（X0）、引力子（G0）及味玻色子（W+1、W-1）的生成方程H+8/3 + H-8/3 X0 + W+1 + W-1V+4/3 + V-4/3 G0 + W+1 + W-1

19、四、磁單極子（C0）、膠子（J0）、光子（Y0）及不帶荷的味玻色子（Z0）的生成方程H+8/3 + H-8/3 C0 + J0 + Z0V+4/3 + V-4/3 Y0 + J0 + Z0模型五種希格斯玻色子的內部結構模型圖希格斯粒子的產生、衰變和發現根據標準模型的預言，希格斯是一種不穩定的粒子(壽命預期只有1022 s)，產生后便很快衰變成其他粒子。因此，實驗上只能從其衰變產物反推出其質量及其他性質。雖然標準模型沒有預言希格斯粒子的質量，但預言了其作為質量函數的產生率和衰變道。實驗上探測希格斯粒子時要求從非常大的非希格斯粒子背景中提取出希格斯粒子信號，大約每1010個質子質子對撞才會產生一個

20、希格斯粒子。在由標準模型預言的 125 GeV 希格斯玻色子的衰變道中，b反 b 道所占的比例最大(57% )，其次依次是 WW道(21%)，膠子膠子道(9%)，反道(6%)，c反 c 道(3% )，ZZ 道(3% ) 和 道(0.2%)。目前，CERN 研究了Higgs玻色子5 條主要衰變道(b反b 道， 反 道，W W 道，ZZ 道，道)，其中最重要的是Higgs 玻色子衰變到雙光子道。盡管雙光子衰變道占全部 Higgs 粒子衰變的0.2%，但是由于高能光子很容易探測，超環面儀器(ATLAS)和緊湊謬子線圈(CMS)都安裝了高精度的電磁量能器來探測光子能量，所以該衰變道是位于法國和瑞士邊境

21、地區的CERN 重點探測的衰變道。大型強子對撞機(LHC)到目前為止的全部運行可以給出上百個事例。Higgs 粒子可以衰變到一對規范玻色子ZZ 或WW。由于Higgs粒子質量約為125 GeV，故它不可能衰變到兩個Z 玻色子或兩個W 玻色子(Z玻色子質量約為91 GeV，W玻色子質量約為 80 GeV)。因此，在這種情況下，至少一個粒子必須是或場的短壽命擾動的虛粒子。W 玻色子和Z 玻色子通常衰變到夸克和反夸克，隨后強子化為難以辨認的噴注。但W 粒子也可衰變為輕子(包括e，或它們的反粒子)和相應的中微子，Z 玻色子可衰變成一對可觀測的輕子 反輕子對。CERN 實驗也是通過這種衰變事例來尋找W

22、和Z 玻色子的。由于通?？淇撕湍z子是以噴注的形式(即錐形噴射的強子的形式)出現的，所以 CERN 團隊沒有試圖觀測c反c 衰變道和膠子膠子衰變道。但b反 b 衰變道是有可能被觀測到的，因為這一衰變道有大的預期分支比和更多的可鑒別的噴注。輕子壽命很短，其衰變產物很難與背景分開，且衰變產物中伴隨著至少一個中微子，故反道的探測同樣棘手。由于 ATLAS 和 CMS 探測器不能探測到中微子，所以希格斯粒子質量的探測精度在這個道不如其他道好。盡管如此，反衰變道仍是CERN 各組分析的一部分。長期以來，美國芝加哥的費米實驗室(Fermilab) 以及CERN一直致力于希格斯粒子的搜尋工作。希格斯玻色子的最新研究2011年12月13日，歐洲核子研究中心科學家示，他們發現了希格斯玻色子存在的跡象。但經考慮實驗其它誤差之后，宣布實驗結果無效。2012年7月4日科學家宣布發現了一個新粒子，與希格斯玻色子特征有吻合之處。2012年7月31日，CERN的CMS小組和ATLAS小組分別提交了新的偵測結果的論文，將這種疑似希格斯波色子的粒子的質量確定為CMS的125.3 GeV/c2（統計誤差：0.4、系統誤差：0.5、標準偏差：5.8）和ATLAS的12