1、 現代理論物理導論作業 題目: 關于希格斯粒子的介紹 專 業 班 級 2014級學科教學（物理） 學 生 姓 名 學 生 學 號 完 成 時 間 關于希格斯粒子的介紹(2014級學科教學（物理） )摘 要：希格斯粒子的研究是物理學前沿領域研究，因此對于希格斯粒子的了解至關重要。此文首先在簡單的介紹希格斯粒子的基本術語后，介紹了希格斯粒子的理論發展，及其實驗研究，最后完整的介紹了希格斯粒子的基本概念，將對希格斯粒子的有關內容進行簡單的綜述。關鍵詞：希格斯粒子； 理論發展； 實驗探究1 關于希格斯粒子的基礎術語介紹本篇文章使用到一些名稱相近的術語。這些術語涉及到很多重要與相關的概念。為了避免混淆不

2、清，在這里特別對這些術語加以詳細解釋說明。規范對稱性：將物理系統在各個時空位置的物理性質按照規范場論關聯在一起，可以分為全局規范對稱性與局域規范對稱性兩種。為了滿足局域規范對稱性，必須引入傳遞基本相互作用的規范玻色字，而這規范玻色子必須不帶有質量。例如，為了滿足局域規范對稱性，電磁相互作用的規范玻色子不帶有質量，因此，電磁力是長程力，光子的質量為零。相互作用的規范對稱性迫使它的規范玻色子不帶有質量，但是實驗證明，弱相互作用的規范玻色子（W玻色子、Z玻色子）實際帶有很大的質量，因此弱作用力是短程力。很長久一段時間，物理學者無法完善處理這理論瑕疵。希格斯機制：解釋了為什么規范玻色子仍舊帶有質量，盡

3、管基本粒子所遵守的物理定律必須滿足規范對稱性。理論物理學者進一步提出，希格斯機制可能是所有基本粒子獲得質量的物理機制。這希格斯機制已被實驗證實。但是，物理學者仍舊不清楚關于希格斯機制的諸多細節。希格斯場：是根據標準模型假定遍布于宇宙的一種基本場。假若這希格斯場存在，則弱電相互作用所遵守的對稱性物理定律的會被打破。希格斯場的存在觸發了希格斯機制，使得負責傳遞弱作用力的規范玻色子帶有質量，因此弱作用力是短程力。理論物理學者進一步提出，這同樣的希格斯場可以解釋為什么其它種基本粒子（輕子、夸克）也帶有質量?！跋８袼共Ｉ帧笔前殡S著希格斯場的帶質量玻色子，是希格斯場的振動。假若能夠尋找到希格斯玻色子，則

4、可以明確地證實希格斯場也存在于宇宙，就好像從觀察海面的波浪可以推論出大海的存在。假若能夠找到希格斯玻色子，則可證實希格斯場存在，連帶地確認希格斯機制與標準模型基本無誤。但是，幾十年來，物理學者無法證實希格斯玻色子是否存在，因為很難制備出希格斯玻色子，而且希格斯玻色子的壽命非常短暫，在秒內，就會發生衰變。雖然理論給出亮麗的正確答案，1從1980年到2011年，具有探索希格斯玻色子功能的粒子對撞機、偵測器、電腦費了三十多年光陰的研究發展，才臻至完備。終于在2013年，物理學者表示，他們確信已從實驗證實希格斯玻色子存在，因此，某種形式的希格斯場遍布于宇宙這概念已被證實。之后幾年，更進一步仔細檢試應該

5、會給出更多相關資訊，并且未來會對人類對于宇宙的認知有更大的沖擊。2“希格斯勢”涵蓋了希格斯場的物理行為與性質，是描述希格斯場的方程的關鍵項目。依希格斯勢的函數形式，希格斯場會表現出特征的物理行為。物理學者并不清楚希格斯勢之確切形式，所以描述希格斯場的公式只能說是一個合理猜測。本篇文章從下段落起，將希格斯玻色子簡稱為“希子”。2 理論發展 2.1 理論的最初發展物理學者認為物質是由基本粒子組成，這些基本粒子彼此之間相互影響的基本力有四種。根據規范場論，為了滿足局域規范場，必須引入傳遞基本力的規范玻色子。特別而言，傳遞電磁力的規范玻色子就是光子。1953年，楊振寧與羅伯特·米爾斯試圖將這

6、關于電磁力的點子延伸至其他種基本力，他們提出了楊-米爾斯理論，但是規范場論預測規范玻色子的質量必須為零，而零質量玻色子傳遞的是類似電磁力的長程力，不適用于像弱核力或強核力一類的短程力。3 怎樣才能夠使得傳遞短程力的規范玻色子獲得質量？物理學者在凝聚態物理學的超導理論里找到重要暗示。1950年，俄國物理學者維塔利·金茲堡與列夫·郎道提出金茲堡-朗道理論，他們建議，在超導體里，彌漫著一種特別的場，能夠使得光子獲得有效質量，但他們并沒有明確地描述這特別場。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施里弗共同創建了BCS理論，他們認為，由電子組成的庫珀

7、對，形成了這特別場。規范對稱性被這特別場隱藏起來，因此造成自發對稱性破缺雖然對稱性仍舊存在于描述這物理系統的方程，但是方程的某種解答并不具有這對稱性。3 南部陽一郎于1960年將自發對稱性破缺的概念引入粒子物理學。他建議，假定夸克與反夸克的質量為零，則生成它們的能量成本很低，如同電子們在超導體里凝聚為庫珀對，它們會在真空里凝聚為夸克對，使得強相對作用的手征對稱性被打破，夸克會因此獲得質量。他又指出，在這機制里，還會出現一種新的零質量玻色子，即介子，由于上夸克、下夸克的質量不等于零，介子的實際質量不等于零，只是比其他種介子的質量都輕很多。4 1962年，杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理

8、，對于這類零質量玻色子的性質給予描述。根據這定理，當連續對稱性被自發打破后必會生成一種零質量玻色子，稱為戈德斯通玻色子。帶質量粒子比較難制成，粒子加速器必須使用很高的能量來碰撞制成帶質量粒子。零質量粒子案例跟重質量粒子案例不同，零質量粒子很容易制成，或者可從缺失能量或動量推測其存在。然而，事實并非如此，物理學者無法做實驗找到其存在的任何蛛絲馬跡，這事實意味著整個理論可能有瑕疵。1963年，菲利普·安德森發表論文指出，對于非相對論性的超導體案例，假若是規范對稱性被打破，則不一定會出現戈德斯通玻色子，他進一步猜測，這機制應該可以加以延伸來處理相對論性案例，但他并沒有明確地給出一個相對論性

9、案例。這論述遭到未來諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾伯特強烈反對。 1964年，弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特領先于8月，緊接著，彼得·希格斯于10月，隨后，杰拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾于11月， 這三個研究小組分別獨立地發表論文，宣布研究出相對論性模型。古拉尼于1965年、希格斯于1966年、基博爾于1967年，又分別更進一步發表論文探討這模型的性質。這三篇1964年論文共同表明，假若將局部規范不變性理論與自發對稱性破缺的概念以某種特別方式連結在一起，則規范玻色子必然會獲得質量。 1967年，史蒂文·溫伯

10、格與阿卜杜勒·薩拉姆各自獨立地應用希格斯機制來打破電弱對稱性，并且表述希格斯機制怎樣能夠并入稍后成為標準模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。溫伯格指出，這過程應該也會使得費米子獲得質量。4關于規范對稱性的自發性破缺的這些劃時代論文，最初并沒有得到學術界的重視，因為大多數物理學者認為，非阿貝爾規范理論是個死胡同，無法被重整化。1971年，荷蘭物理學者馬丁紐斯·韋爾特曼與杰拉德·特·胡夫特發表了兩篇論文，證明楊-米爾斯理論（一種非阿貝爾規范理論）可以被重整化，不論是對于零質量規范玻色子，還是對于帶質量規范玻色子。自此以后，物理學者開始接受這些理論

11、，正式將這些理論納入主流。4從這些理論孕育出的電弱理論與改善后的標準模型，正確地預測了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、頂夸克、粲夸克，并且準確地計算出其中一些粒子的性質與質量。 很多在這領域給出重要貢獻的物理學者后來都獲得了諾貝爾物理學獎與其它享有聲望的獎賞。發表于現代物理評論的一篇1974年文章表示，至今為止，這些理論推導出的答案符合實驗結果，但是，這些理論到底是否正確仍舊無法確定。5權威著作希格斯狩獵者指南的作者指明，標準模型擁有驚人的成功。現今，粒子物理學的核心問題就是了解希格斯區的相關理論。 2.2 物理評論快報1964年里程碑論文六位物理學者分別發表的三篇論文，在物理評論快報50周年慶

12、祝文獻里被公認為里程碑論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學櫻井獎。同年，在他們之間，又發生了一點爭執，萬一因此獲得諾貝爾物理學獎，由于每一年只能授予給三位杰出人士，而現在有六位人士做出了關鍵貢獻，到底應該頒發物理學最榮譽的獎給哪三位人士？（結果，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯獲得了2013年諾貝爾物理學獎。）1964年8月，恩格勒團隊發表了三頁論文，他們假定存在有復值標量場（即希格斯場），其數值在量子真空里不等于零，然后使用費曼圖方法演示出規范玻色子怎樣獲得質量。恩格勒團隊并沒有提到任何關于希子的信息。稍后，希格斯獨立發表論文概述怎樣能夠應用局域規范對稱性來回避戈德斯

13、通定理，他并沒有給出模型明確顯示戈德斯通玻色子被抵銷。不久之后，希格斯發表第二篇論文，他更仔細的表述這回避方法，給出一個可行模型，并且用這模型演示出規范矢量場怎樣吃掉戈德斯通玻色子，因此獲得質量。他將這篇論文被呈送給物理快報，但是令人驚訝地沒有被接受。他無法理解，為什么同樣的學術刊物，會接受一篇關于“帶質量規范玻色子可能存在”的論文，又會否絕一篇描述“帶質量規范玻色子實際模型”的文章。希格斯不因此而氣餒，他又添加了一些內容，從他給出的模型，他預測另外存在一種帶質量玻色子，后來知名為“希格斯玻色子”希格斯的1966年論文推導出希子的衰變機制；只有帶質量玻色子可以衰變，假若找到衰變的跡象，就可以證

14、實希子存在。 古拉尼團隊論文提到了恩格勒團隊與希格斯先前分別獨立發表的論文。古拉尼團隊論文是唯一對于整個希格斯機制給出完整分析的論文。這論文也推導出希子的存在，但是希格斯的希子具有質量，而古拉尼團隊的希子不具有質量，這結果令人疑問兩種希子是否相同。在2009年與2011年發表的兩篇論文中，古拉尼解釋，在古拉尼團隊給出的模型里，取至最低階近似，玻色子的質量為零，但是這質量的數值沒有被任何理論限制；取至較高階，玻色子可以獲得質量。 希格斯機制不但解釋了規范玻色子怎樣獲得質量，還預測這些玻色子與標準模型的費米子之間的耦合。經過在大型正負電子對撞機（LEP）和史丹佛線性加速器（SLAC）做精密測量實驗

15、，很多預測都已經核對證實，因此確認大自然實際存在這一機制。 但物理學者仍舊不清楚希格斯機制到底是怎樣發生，他們希望能從尋找希子所得到的結果獲得一些這方面的證據。 3 實驗探究3.1 希格斯玻色子的實驗探究 為了要制成希子，在粒子對撞機里，兩道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子偵測器里相互碰撞，有時候，異乎尋常地，會因此生成產物希子。但是希子會在生成后會在非常短暫時間內發生衰變，無法直接被偵測到，偵測器只能記錄其所有衰變產物（“衰變特征”），從這些實驗數據，重建衰變過程，假若符合希子的某種衰變道，則歸類為希子可能被生成事件。實際而言，很多種過程都會出現類似的衰變特征。很慶幸地是，標準模型精確地

16、預言所有可能衰變模式與對應的或然率，假若偵測到更多能夠匹配希子衰變特征的事件，而不是更多不同于希子衰變特征的事件，則這應該是希子存在的強烈證據。在大型強子對撞機里，由于粒子碰撞生成希子的事件概率非常稀有，大約為百億分之一， 很多其它種碰撞事件具有類似的衰變特征，物理學者必須搜集與分析幾百萬億個碰撞事件，只有顯示出與希子相同衰變特征的事件才可被視為是可能的希子衰變事件。在確認發現新粒子之前，兩個獨立的粒子偵測器（ATLAS與CMS）所觀測到的衰變特征出自于背景隨機標準模型的事件概率，都必須低于百萬分之一，也就是說，觀測到的事件數量比沒有新粒子的事件數量，兩者之間相異的程度為5個標準差。更多碰撞數

17、據能夠讓物理學者更為正確地辨認新粒子的物理性質，從而決定新粒子是否為標準模型所描述的希子，還是其它種假想粒子。低能量實驗設施可能無法找到希子，必須建造一座高能量粒子對撞機，這對撞機還需要具有高亮度來確保搜集到足夠的碰撞數據。另外，還需要高功能電腦設施來有序處理大量碰撞數據（大約25petabyte每年）。至2012年為止，它的附屬電腦設施，全球大型強子對撞機計算網格（Worldwide LHC Computing Grid）已處理了超過三百萬億（3×1014）個碰撞事件。這是全球最大的計算網格，隸屬于它的170個電算設施，散布在36國家，是以分布式計算的模式連結在一起。2.2 201

18、2年7月4日以前的探索最早大規模搜尋希子的實驗設施是歐洲核子研究組織的大型正負電子對撞機，它在1990年代開始運作，直到2000年為止，但它并沒有找到希子的確切存在證據，這是因為它的專長是精密測量粒子的性質。根據大型正負電子對撞機所收集到的數據，標準模型希子的質量下限被設定為114.4GeV，置信水平95%。這意味著假若希子存在，則它應該會重于114.4GeV/c2。6費米實驗室的兆電子伏特加速器繼承了先前搜尋希子的任務。1995年，它發現了頂夸克。為了搜尋希子，設施的功能被大大提升，但這并不能保證兆電子伏特加速器會發現希子。在那時期，它是唯一正在運作中的超級對撞機，大型強子對撞機正在建造，超

19、導超大型加速器計劃已于1993年取消。歷經多年運作，兆電子伏特加速器只能對于更進一步排除希子質量值域做出貢獻，由于能量與亮度無法與建成的大型強子對撞機競爭，于2011年9月30日除役。從分析獲得的實驗數據，兆電子伏特加速器團隊排除希子的質量在100-103GeV、147-180GeV以內，置信水平95%。在能量115140GeV之間區域，超額事件的統計顯著性為2.5個標準差，這對應于在550次事件中，有一次事件是歸咎于統計漲落。這結果仍舊未能達到5個標準差，因此不能夠作定論。 歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）的設計目標之一為能夠確認或排除希子的存在。在瑞士日內瓦附近鄉村的地底下，圓周

20、為27km的坑道里，兩個質子束相撞在一起，最初以3.5TeV每質子束（總共7TeV），大約為兆電子伏特加速器的3.6倍，未來還可提升至2×7TeV（總共14TeV）。根據標準模型，假若希子存在，則這么高能量的碰撞應該能夠將它揭露出來。 這是史上最復雜的科學設施之一。在開啟測試后僅僅九天，由于磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷，發生磁體失超事件，造成50多個超導磁鐵被毀壞、真空系統被污染，整個運作被迫延遲了14個月，直到2009年11月才再度重新運作。 2010年3月，LHC開始緊鑼密鼓地進行數據搜集與分析。72011年12月，LHC的兩個主要粒子偵測器，超環面儀器（ATLAS）和緊湊子線圈（C

21、MS）的實驗團隊，已將希子的可能質量值域縮小至115-130GeV（ATLAS）與117-127GeV（CMS）。另外，ATLAS在質量范圍125-126GeV偵測到超額事件，統計顯著性為3.6個標準差，CMS在質量范圍124GeV偵測到超額事件，統計顯著性為2.6個標準差。8由于統計顯著性并不夠大，尚無法做結論或甚至正式當作一個觀察事件。但是，兩個偵測器都獨立地在同樣質量附近檢測出超額事件，這事實使得粒子物理社團極其振奮，期望能夠在檢驗完畢2012年的碰撞數據之后，于明年年底排除或確認標準模型希子的存在。CMS團隊發言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：“統計顯著性不

22、夠大，無法做定論。直到今天為止，我們所看到的與背景漲落或與玻色子存在相符合。更仔細的分析與這精心打造的巨環在2012年所貢獻出的更多數據必定會給出一個答案。” 4 希格斯玻色子希格斯玻色子（英語：Higgs boson）是標準模型預言存在的一種基本粒子，是一種玻色子，自旋為零，不帶電荷、色荷，非常不穩定，在生成后會立刻衰變，于2013年3月14日暫時被確認存在。這是一個重大的實驗發現，對于希格斯場的存在與否也給出有力證據。為什么某些基本粒子帶有質量，而某些基本粒子的質量為零？根據希格斯機制，基本粒子是因為與遍布于宇宙的希格斯場耦合而獲得質量。希格斯玻色子是希格斯場的振動，是希格斯場存在的明確證

23、據，就好像從觀察海面的波浪可以推論出大海的存在。物理學者認為，倘若能夠通過做實驗更加了解希格斯玻色子的物理性質，這將會對粒子物理學造成極大的沖擊，促使核對標準模型其它尚未經過檢驗的部分成為可能，指引粒子物理學的其它理論與發現，導致后標準模型物理（physics beyond the standard model）的研究與突破，9并且在這漫長過程中，發展出很多對于人類生活品質有所助益的嶄新科技。 希格斯玻色子是否存在？這是一個極為重要的基礎物理問題。物理學者花費四十多年時間尋找它。至今為止，全世界最昂貴、最復雜的實驗設施之一，大型強子對撞機（LHC），其建成的主要目的之一就是尋找與觀察希格斯玻色

24、子與其它種粒子。2012年7月4日，歐洲核子研究組織（CERN）宣布，LHC的緊湊渺子線圈（CMS）探測到質量為125.3±0.6GeV的新玻色子（超過背景期望值4.9個標準差），超環面儀器（ATLAS）測量到質量為126.5GeV的新玻色子（5個標準差），這兩種粒子極像希格斯玻色子。102013年3月14日，歐洲核子研究組織發表新聞稿正式宣布，先前探測到的新粒子暫時確認是希格斯玻色子，具有零自旋與偶宇稱，這是希格斯玻色子應該具有的兩種基本性質，但有一部分實驗結果不盡符合理論預測，更多數據仍舊等待處理與分析。 希格斯玻色子是因物理學者彼得·希格斯命名。 他是于1964年提出

25、希格斯機制的六位物理學者中的一位。雖然這理論最終以希格斯的名字命名，在1960年至1972年之間，有很多物理學者對于這理論獨立地做出不同貢獻。2013年10月08日，因為“次原子粒子質量的生成機制理論，促進了人類對這方面的理解，并且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊子線圈探測器發現的基本粒子證實”，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。 參考文獻：1 Leon M. Lederman and Dick Teresi. The God Particle: If the Universe is the Answer, What is

26、 the Question. Houghton Mifflin Company. 1993.2 Celeste Biever at CERN. It's a boson! But we need to know if it's the Higgs. NewScientist. 2012-07-06 9 January 2013.3 Sean Carroll. The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World. Penguin Group US. 13 November 2012. ISBN 978-1-101-60970-5.4 Ellis, John; Mary Gaillard, Dimitri Nanopoulos, A Historical Profile of the Higgs Boson, 20125 Jeremy Bernstein. Spontaneous symmetry breaking, gauge