連載去年寫的一個東西。原文在“現(xiàn)代物理知識”25卷第六期發(fā)表。

希格斯物理
韓濤 (University of Pittsburg/清華大學), 王連濤(University of Chicago)

1. 引言

2012年7月4日將作為一個激動人心的日子載入科學史。在這一天,座落在法國和瑞士邊 境上的歐洲核子中心(CERN)宣布在大型強子對撞機(LHC)上發(fā)現(xiàn)一個新的基本粒 子, 被稱為希格斯粒子。2013年10月8日,由于他們1964年的理論工作,比利時物理學 家Francois Englert和英國物理學家Peter Higgs被授予2013年度的Nobel獎。這是高能物 理和基本粒子物理近四十年來最重大的發(fā)現(xiàn)。它所帶來的震動深刻地影響了整個基礎理論 的走向,從而進入了一個全新的時代。本文將簡單介紹這個奇妙的希格斯粒子以及希格斯 機制,并展望和它有關(guān)的新物理。

人類對于自然界最基本的粒子的探索始于遠古時代。在早期的歷史中,盡管有一些智慧的 思辨,但是由于探索手段的限制,這些始終沒有成為基于實驗基礎的科學理論。這個情況 一直到二十世紀才得到根本性的改變。從Thomson的陰極射線管,到盧瑟佛的α 粒子散
射,一直到高能粒子對撞機,人們對微觀世界的探索不斷深化,不同的基本粒子被相繼發(fā) 現(xiàn)。同時,二十世紀初誕生的相對論和量子力學的結(jié)合和發(fā)展最終帶來了量子場論,為認 識基本粒子現(xiàn)象提供了堅實的理論基礎。最終在八十年代初期,一個可以用來描述全部所 觀測到的基本粒子的理論框架取得了足夠多的試驗驗證,并得到了廣泛的承認。這就是基 本粒子物理的標準模型[1][2][3]。 這個模型包括6種夸克和6種輕子。它描述了自然界的三 種基本的相互作用,強相互作用,弱相互作用,以及電磁相互作用。這些相互作用也是通 過基本粒子傳播的,這些傳播粒子分別為膠子(強),W和Z (弱),以及光子(電 磁)。為了解釋基本粒子質(zhì)量的來源,標準模型借用了希格斯機制并預言了一個新粒子的 存在。 希格斯粒子由此成了基本粒子家族的新成員。

需要強調(diào)的是,希格斯粒子的發(fā)現(xiàn),其意義遠遠超過發(fā)現(xiàn)一個新粒子。和夸克,輕子, 和傳播粒子不同,希格斯粒子是第?個被發(fā)現(xiàn)的自旋角動量為零的基本粒子。它在標準模 型當中起到極其微妙而重要的作用。在標準模型的建立到希格斯粒子發(fā)現(xiàn)前的四十多年 中,各種夸克,輕子, 以及基本相互作用的傳播粒子全部被發(fā)現(xiàn),它們的性質(zhì)也被大量 的試驗數(shù)據(jù)所驗證。 但是,僅有這些內(nèi)容的標準模型是不完整的。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)從 某種意義上講使標準模型成為了一個自洽的框架。但是這一發(fā)現(xiàn)并不意味這我們對基本粒 子物理有了完整的認識。恰恰相反,希格斯粒子存在的本身提出了一系列更令人深思的問 題。對這些問題的探索會決定今后至少幾十年高能物理發(fā)展的方向。

（下一節(jié)： 什么是希格斯機制）

[1] S.L. Glashow (1961). "Partial-symmetries of weak interactions". Nuclear Physics 22 (4): 579–588.
[2] S. Weinberg (1967). "A Model of Leptons". Physical Review Letters 19 (21): 1264–1266.
[3] A. Salam (1968). N. Svartholm, ed. "Elementary Particle Physics: Relativistic Groups and
Analyticity". Eighth Nobel Symposium. Stockholm:Almquvist and Wiksell. p. 367.