物理群星
1964 粒子物理

希格斯机制与质量的起源

The Higgs Mechanism & the Origin of Mass

规范对称性不允许传力粒子有质量,可弱力的载体明明很重——让真空自己「选边站」,被藏起来的对称性就把质量还了回来。

当时的困境

杨振宁与米尔斯 1954 年的规范场论美得让人无法拒绝:要求对称性在时空每一点独立成立,传递相互作用的场就自动出现。可它带着一处致命伤——规范不变性要求这些玻色子的质量严格为零。零质量意味着力是长程的,像电磁力那样能传到天边;而弱相互作用的射程只有原子核尺度的千分之一,它的载体 W、Z 粒子必须很重。这正是 1954 年泡利在普林斯顿当场追问杨振宁的那个问题:「这个场的质量是多少?」(本站「杨-米尔斯规范场论」页记下了那个下午)。硬把质量项塞进拉格朗日量,理论立刻不再可重整化,计算给出无穷大。十年间,规范场论因此被主流冷落。

洞见时刻

出路来自凝聚态。南部阳一郎注意到,BCS 超导体中的对称性并非被方程破坏,而是被基态「自发」破缺了;安德森进一步指出,超导体内部的光子表现得像有质量。1964 年,三组人几乎同时把这个思想搬到相对论性规范场上:布劳特与恩格勒(8 月)、希格斯(10 月)、古拉尼与哈根、基布尔(11 月)。图像是这样的:让全空间充满一种标量场,它的势能形如一顶墨西哥草帽——帽顶(场为零)不稳定,最低点绕帽檐排成一圈。真空必须从帽檐上随便挑一点落定,对称性没有消失,只是被这个选择藏了起来。破缺留下的自由度被规范玻色子「吃掉」,成为它们的纵向偏振——质量由此而来,而可重整性完好无损。希格斯那篇论文还多写了一段:这套机制必然伴随一个可被探测的重玻色子。

涟漪效应

1967 年温伯格、次年萨拉姆把这套机制用到弱作用与电磁作用的统一上,写出电弱理论:一个规范群,四个玻色子,破缺后留下无质量的光子和很重的 W、Z。1971 年特霍夫特证明它可重整,理论从此可算;1983 年 CERN 找到了 W 和 Z,质量与预言吻合。标准模型成型,只差那个玻色子本身。为了造出它,人类在日内瓦地下挖了 27 公里的环,建成大型强子对撞机——一台以验证一篇 1964 年论文为主要目标的机器。2012 年 7 月 4 日,ATLAS 与 CMS 同时报告:在约 125 GeV 处发现新粒子。次年希格斯与恩格勒获诺贝尔奖。

如果没有它

这里要说清一个流传很广的误解:希格斯场并没有「给万物质量」。 你体重的百分之九十九来自质子和中子,而质子的质量绝大部分不是三个夸克的质量之和,而是把夸克束缚在一起的强相互作用能量——按 E=mc2E=mc^2,那份能量就表现为质量。希格斯场直接负责的,是电子、夸克这类基本粒子自身的质量。但这一部分同样不可或缺:若电子没有质量,它就以光速飞行,无法被原子核束缚成电子云,也就没有原子、没有化学、没有分子、没有你。而在理论一侧,抽掉希格斯机制,规范场论就仍卡在泡利那个问题上——没有电弱统一,没有标准模型,粒子物理的整个二十世纪下半叶都要重写。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.希格斯《破缺的对称性与规范玻色子的质量》,《物理评论快报》第 13 卷第 508 页(1964)
  2. 2.恩格勒与布劳特《破缺的对称性与规范矢量介子的质量》,《物理评论快报》第 13 卷第 321 页(1964)——比希格斯那篇早两个月
  3. 3.ATLAS 合作组《在标准模型希格斯玻色子搜索中观测到一种新粒子》,《物理快报 B》第 716 卷第 1 页(2012)
  4. 4.CMS 合作组《在 LHC 上观测到质量约 125 GeV 的新玻色子》,《物理快报 B》第 716 卷第 30 页(2012)