希格斯粒子

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希格斯粒子

希格斯粒子（英语：Higgs boson）又称希格斯玻色子，是标准模型里的一种基本粒子，是一种玻色子，自旋为零，宇称为正值，不带电荷、色荷，极不稳定，生成后会立刻衰变。2013年3月，欧洲核子研究组织表示先前探测到的新粒子是希格斯玻色子[1]。

中文名希格斯玻色子

外文名Higgs boson

别称外号希格斯粒子，希格斯子，上帝粒子

提出者彼得·希格斯（P.W.Higgs）

类型粒子

自旋0

提出时间1964年

名称来源与希格斯反粒子实粒子的发现

希格斯粒子存在的实体。

希格斯实粒子 1964年，英国物理学家彼得·希格斯提出“希格斯玻色子。[2]1988年，诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼无意中为希格斯玻色子起了“上帝粒子”（God Particle）这么一个名字。莱德曼写了本科普书，原书名叫“该死的粒子（Goddamn Particle），因为希格斯玻色子难以找到，但出版商认为不妥，遂改成了“上帝粒子”。然而，许多科学家却不喜欢这一称呼，因为它过分强调了这粒子的重要性和太宗教化。希格斯本人也不喜欢，但有意思的是，当别人提到“希格斯玻色子”时，希格斯总是诚惶诚恐，因为他觉得“不配用自己的名字”命名这种粒子。在粒子物理中‘玻色子’都会有它的反粒子相伴生成实效的‘实粒子’，在希格斯场能效中能量赋予粒子的质量，希格斯粒子有它的‘反粒子’生成实粒子。希格斯玻色子在‘希格斯场能’中起到能量的载体，希格斯粒子的‘波动’它的玻色子行为可以是‘波动的载力’，可以是‘耦合粒子的能值’，可以是‘超对称粒子’的质能携带，希格斯的质量场‘希格斯机制’是在极端粒子物理的环境反应出‘空间时间’的粒子质量可测量的存在，希格斯新粒子需要‘各种对撞机’从新探索发现，希格斯实粒子也是未来‘新材料’的基础应用，如-光粒子量子计算机的硬件芯制备。希格斯粒子的“实粒子”存在实体粒子可以物理测量希格斯粒子在自然界的存在发现由中国的粒子物理科学家贡献（图例）实图。据法新社2018-8月-28日报道，欧洲的对撞机有了新的发现，对撞出了常见的‘希格斯粒子’玻色子的‘衰变’测量观测到底夸克耦合，就是底夸克与反底夸克对的生成，这为今后发现耦合新粒子-超对称粒子成为了探究探索的标的。

理论发展史

物理学者认为物质是由基本粒子组成，这些基本粒子彼此之间相互影响的基本力有四种。根据规范场论，为了满足定域规范对称性，必须引入传递基本力的规范玻色子。特别而言，传递电磁力的规范玻色子就是光子。1954年，杨振宁与罗伯特·米尔斯试图将这关于电磁力的点子延伸至其他种基本力，他们提出了杨-米尔斯理论，但是规范场论预测规范玻色子的质量必须为零，而零质量玻色子传递的是类似电磁力的长程力，不适用于像弱核力或强核力一类的短程力，当今；前沿粒子物理已经确认在‘矢量场中物质的质量不为零包括-玻色子-费米子’，光粒子的介质粒子会生成-光粒子凝聚（图例-光粒子凝聚）。

怎样才能够使得传递短程力的规范玻色子获得质量？物理学者在凝聚态物理学的超导理论里找到重要暗示。1950年，俄国物理学者维塔利·金兹堡与列夫·郎道提出金兹堡-朗道理论，他们建议，在超导体里，弥漫着一种特别的场，能够使得光子获得有效质量，但他们并没有明确地描述这特别场。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀、约翰·施里弗共同创建了BCS理论，他们认为，由电子组成的库珀对，形成了这特别场。规范对称性被这特别场隐藏起来，因此造成自发对称性破缺──虽然对称性仍旧存在于描述这物理系统的方程，但是方程的某种解答并不具有这对称性。

南部阳一郎于1960年将自发对称性破缺的概念引入粒子物理学。他建议，假定夸克与反夸克的质量为零，则生成它们的能量成本很低，如同电子们在超导体里凝聚为库珀对，它们会在真空里凝聚为夸克对，使得强相对作用的手征对称性被打破，夸克会因此获得质量。他又指出，在这机制里，还会出现一种新的零质量玻色子，即π介子，由于上夸克、下夸克的质量不等于零，π介子的实际质量不等于零，只是比其他种介子的质量都轻很多。1962年，杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理，对于这类零质量玻色子的性质给予描述。根据这定理，当连续对称性被自发打破后必会生成一种零质量玻色子，称为戈德斯通玻色子。带质量粒子比较难制成，粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子。零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同，零质量粒子很容易制成，或者可从缺失能量或动量推测其存在。然而，事实并非如此，物理学者无法做实验找到其存在的任何蛛丝马迹，这事实意味着整个理论可能有瑕疵。1963年，菲利普·安德森发表论文指出，对于非相对论性的超导体案例，假若是规范对称性被打破，则不一定会出现戈德斯通玻色子，他进一步猜测，这机制应该可以加以延伸来处理相对论性案例，但他并没有明确地给出一个相对论性案例。这论述遭到未来诺贝尔化学奖得主沃特·吉尔伯特强烈反对。

1964年，弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特领先于8月，紧接着，彼得·希格斯于10月，随后，杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔于11月，这三个研究小组分别独立地发表论文，宣布研究出相对论性模型。古拉尼于1965年、希格斯于1966年、基博尔于1967年，又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质。这三篇1964年论文共同表明，假若将局部规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起，则规范玻色子必然会获得质量。1967年，史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆各自独立地应用希格斯机制来打破电弱对称性，并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论。温伯格指出，这过程应该也会使得费米子获得质量。

关于规范对称性的自发性破缺的这些划时代论文，最初并没有得到学术界的重视，因为大多数物理学者认为，非阿贝尔规范理论是个死胡同，无法被重整化。1971年，荷兰物理学者马丁纽斯·韦尔特曼与杰拉德·特·胡夫特发表了两篇论文，证明杨-米尔斯理论（一种非阿贝尔规范理论）可以被重整化，不论是对于零质量规范玻色子，还是对于带质量规范玻色子。自此以后，物理学者开始接受这些理论，正式将这些理论纳入主流。

从这些理论孕育出的电弱理论与改善后的标准模型，正确地预测了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、顶夸克、粲夸克，并且准确地计算出其中一些粒子的性质与质量。很多在这领域给出重要贡献的物理学者后来都获得了诺贝尔物理学奖与其它享有声望的奖赏。发表于《现代物理评论》的一篇1974年文章表示，至1974年为止，这些理论推导出的答案符合实验结果，但是，这些理论到底是否正确仍旧无法确定。权威著作《希格斯狩猎者指南》的作者指明，标准模型拥有惊人的成功。现今，粒子物理学的核心问题就是了解希格斯区的相关理论。

摘自独立学者灵遁者量子力学书籍《见微知著》

实验探索

为了要制成希子，在粒子对撞机里，两道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子探测器里相互碰撞，有时候，异乎寻常地，会因此生成产物希子。但是希子会在生成后会在非常短暂时间内发生衰变，无法直接被探测到，探测器只能记录其所有衰变产物（“衰变特征”），从这些实验数据，重建衰变过程，假若符合希子的某种衰变道，则归类为希子可能被生成事件。实际而言，很多种过程都会出现类似的衰变特征。很庆幸地是，标准模型精确地预言所有可能衰变模式与对应的或然率，假若探测到更多能够匹配希子衰变特征的事件，而不是更多不同于希子衰变特征的事件，则这应该是希子存在的强烈证据。

在大型强子对撞机里，由于粒子碰撞生成希子的事件概率非常稀有，大约为百亿分之一，很多其它种碰撞事件具有类似的衰变特征，物理学者必须搜集与分析几百万亿个碰撞事件，只有显示出与希子相同衰变特征的事件才可被视为是可能的希子衰变事件。在确认发现新粒子之前，两个独立的粒子探测器（ATLAS与CMS）所观测到的衰变特征出自于背景随机标准模型的事件概率，都必须低于百万分之一，也就是说，观测到的事件数量比没有新粒子的事件数量，两者之间相异的程度为5个标准差。更多碰撞数据能够让物理学者更为正确地辨认新粒子的物理性质，从而决定新粒子是否为标准模型所描述的希子，还是其它种假想粒子。

低能量实验设施可能无法找到希子，必须建造一座高能量粒子对撞机，这对撞机还需要具有高亮度来确保搜集到足够的碰撞数据。另外，还需要高功能电脑设施来有序处理大量碰撞数据（大约25petabyte每年）。至2012年为止，它的附属电脑设施，全球大型强子对撞机计算网格（WorldwideLHCComputingGrid）已处理了超过三百万亿（3×10）个碰撞事件。这是全球最大的计算网格，隶属于它的170个电算设施，散布在36国家，是以分布式计算的模式连结在一起。

参考资料

[1]Higgs Boson Positively Identified

[2]科学家发现疑似“上帝粒子” 可能改变人类对宇宙的理解

[3]宇宙因膨胀产生“上帝粒子”而没有坍缩

[4]CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson

[5]霍金发声警告：上帝粒子可铲除整个宇宙

[6]背景资料：“上帝粒子”希格斯玻色子

[7]中国将建全球最大粒子加速器 研究“上帝粒子”

[8]欧洲对撞机似再爆出新粒子 或为'上帝粒子'近邻

[9]关于希格斯玻色子(组图)

[10]上帝粒子是什么？ 更多