● ● ●
彼得·希格斯（Peter Higgs），圖片來源：gov.uk
2013年3月14日，歐洲核子研究組織（Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire，簡稱CERN）正式宣布，LHC（Large Hadron Collider，大型強子對撞機）的緊湊渺子線圈（CMS）和超環(huán)面儀器（ATLAS）于2012年7月4日，測量到了被稱之為“上帝粒子”、具有零自旋與偶宇稱特點的希格斯玻色子（Higgs boson）。
歐洲核子研究中心可以說是世界上粒子物理研究最前沿的地方。二十多年以前，萬維網在這兒悄然誕生，之后的發(fā)展有目共睹。2012年，CERN宣告找到“上帝粒子”的消息震驚了全世界。第二年，諾貝爾獎委員會將2013年的物理學獎授予了與此相關的兩位理論物理學家：弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert, 1932-）和彼得·希格斯（Peter Higgs，1929-）[1]。
圖1左顯示的是瑞士日內瓦西北部的郊區(qū)，左邊已經能看到法國邊境處的農田，背景是美麗的日內瓦湖。漂亮的建筑、翠綠的草坪，你可能很難想象，在這一片寧靜祥和的美景之下，隱藏著一個巨大的科學工程：歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC。
LHC隱藏在100米深的地下，位于一個周長27公里的巨大環(huán)形隧道內。當年，世界各國的科學團體聯(lián)合建造這個世界上最大粒子加速器的主要目的，就是尋找希格斯粒子。這也是一臺世界上最昂貴的“顯微鏡”，幾年來，世界各國合作總耗資達130億美元，上萬人為此日夜辛勤工作，目的就為了追蹤一個平均壽命只有1.56×10?22秒（s）的小小的基本粒子。
圖2：希格斯玻色子的產生
這個不平常的“短命鬼”并非天然存在，因此，與其說是LHC“發(fā)現(xiàn)”了希格斯粒子，還不如說是“制造”出了希格斯粒子。事實上，科學家們是讓LHC隧道中的兩束質子，以每秒11245圈的速度（接近光速）狂奔后相撞，在極小的空間內爆發(fā)出等于十萬倍太陽溫度的超高溫，并釋放出大量的能量和粒子，希格斯粒子就有可能產生其中。不過，質子碰撞產生希格斯粒子的幾率很小，每1012次的對撞，才可能產生一次。而且希格斯粒子一旦產生后轉瞬即逝，在十億分之一秒的時間內就會衰變成其它的粒子。這就是為什么LHC耗資如此巨大，因為要想捕捉到希格斯粒子太不容易了（見圖2）。雖然有人將其稱之為“上帝粒子”，但希格斯粒子與上帝，或者與上帝的存在與否，毫不相關。事實上，它的意義是為大多數(shù)物理學家所認可的“標準模型”理論中其它的基本粒子提供了一個“質量來源”的機制。
為什么理論物理中有一個“質量問題”？質量，是我們從初中物理書中就熟知的概念，被定義為物體中“所含物質的多少”。這能有什么問題呢？物理學的本質是“追根溯源”，尋求“萬物之本”。質量，在經典物理中是無可非議的存在，但在現(xiàn)代物理的“標準模型”中，卻要煞費心機地去追溯它的“來源”。什么是標準模型呢？人類在永無止境的探索中，試圖將“萬物”歸納統(tǒng)一為最少數(shù)目的“基本元素”，其中一個描述各種粒子及粒子之間各種相互作用的較成功理論，就是標準模型（Standard Model, SM）。標準模型中描述相互作用的是“規(guī)范場論”（Gauge Theory）。
圖3：希格斯玻色子是標準模型的最后一塊拼圖
規(guī)范場論數(shù)學上十分漂亮，但是當時卻有一個缺陷：與其相關的粒子（規(guī)范粒子）的質量只能為0，這會導致標準模型（圖3）中所有基本粒子質量都為0。這樣看來，美妙的理論卻導致了一個不符合實際的結果。實際結果是物理科學的“根基”，而理論之美，也是物理學家們舍不得放棄的“至愛”，幸虧后來有了希格斯機制（Higgs Mechanism）來解圍，使規(guī)范場的理論趨于完美。有關規(guī)范場，我們留待下一篇介紹，此篇僅介紹“自發(fā)對稱破缺”（spontaneous symmetry breaking） 如何解決質量問題。
你或許并不熟悉南部陽一郎（Yoichiro Nambu，1921-2015）的名字，但一聽就知道是一位日本人。其實他曾被譽為20世紀后半葉最偉大的理論物理學家之一，生于日本逝于日本，但大部分學術生涯在美國度過，是美籍日裔科學家中獲諾獎第一人。而他對物理學的最主要貢獻—— “對稱性自發(fā)破缺”機制的研究，其重要的科學意義，也往往被低估。
圖4：超導（BCS）的對稱破缺（從U(1)到Z2）
陽一郎于1970年加入美國國籍，2008年榮獲諾貝爾物理學獎，2015年7月5日在大阪去世。他是一個時代少有的先知先覺者，就像著名超對稱理論家布魯諾·朱米諾（Bruno Zumino，1923-）曾經評價的那樣：“他總是比我們超前10年，所以我曾試圖理解他的工作，以便能對一個10年后將會興盛的領域有所貢獻。可是，與我的期望相反，我費了10年的工夫才理解他的工作?！?
陽一郎首先從量子場論的角度，用對稱破缺的概念，仔細研究了BCS超導理論問題。超導現(xiàn)象中起作用的是電子之間的電磁相互作用，根據(jù)規(guī)范理論，電磁場符合U(1)群所描述的相位旋轉對稱性（圖4左）。但是，當電子雙雙組成“庫珀對”之后，失去了相位360度的旋轉對稱性，只留下兩個元素Z2群的對稱性。U(1)到Z2對稱性的變化，改變了原來物質能帶圖中的費米面結構，改變了電子運動規(guī)律，從而形成了超導[2]。
BCS理論中的對稱破缺，與鉛筆從平衡位置倒下十分類似。平衡的鉛筆具有旋轉對稱性，但它可以向任何一個方向倒下，倒下后便失去了旋轉對稱性。電磁作用中的“方程”類似于平衡的鉛筆；系統(tǒng)的“基態(tài)”不止一個，而是有無窮多個，類似于鉛筆可以倒下的無窮多個“方向”。也就是說，物理規(guī)律具有旋轉對稱性，“倒向”一個具體的“基態(tài)”后，旋轉對稱性就“破缺”了。
2008年諾貝爾物理學獎得主中的另兩位日本本土物理學家小林誠（Kobayashi Makoto，1944-）和益川敏英（Toshihide Maskawa，1940-）在對稱破缺研究方向上更進一步。
1973年，29歲的小林誠和33歲的益川敏英提出了“小林－益川理論”，解釋宇宙演化過程中粒子多于反粒子的原因[3]。他們研究了弱相互作用中CP對稱性的破壞，認為粒子和反粒子之間除了電荷符號不同之外，還有一些微小的差異，這個微小差異引起CP自發(fā)對稱破缺，從而使得正粒子和反粒子衰變反應的速率不同，之后造成正粒子數(shù)目遠多于反粒子。根據(jù)他們的理論，應該存在6種夸克，這種對稱破缺機制才能起作用，而當時只發(fā)現(xiàn)了3種夸克，被預言的另外3種夸克分別在1974、1977、1995年被發(fā)現(xiàn)。此外，在2001年和2004年，美國斯坦福實驗室和日本高能加速器分別獨立地實現(xiàn)了“小林－益川理論”所描述的自發(fā)對稱破缺機制，得到了極為引人注目的實驗證據(jù)。值得注意的一點是，當初小林誠和益川敏英的論文，發(fā)表在一個日本的物理專業(yè)雜志《理論物理進展》（Progress of Theoretical Physics）上，雖然用的是英語，但好幾年都無人問津，幸好后來有人將此文介紹到物理界的主流社會，方才被大多數(shù)物理學家引用和知曉。自發(fā)對稱破缺展現(xiàn)了一個重要的科學結論：某些情況下，物理實驗得到與自然規(guī)律（方程）不一樣的結果，那不一定是“實驗違背了規(guī)律”，而是因為方程描述一般情形，我們觀察到的物理世界只是方程的一個解。這個解是方程整體對稱性自發(fā)破缺后的結果。回到前面說的質量問題：規(guī)范理論中粒子質量都為0，但現(xiàn)實世界中存在很多有質量的粒子?！斑@些質量可能是來自于自發(fā)對稱破缺？”——這就是希格斯機制的想法。也就是說，希格斯機制首先假設所有粒子都沒有質量，這些粒子構造出漂亮的規(guī)范場理論和標準模型，然后再從規(guī)范理論之外尋找一種方法，給所有的粒子加上它應該有的質量。于是，這種“無中生有”的“產生質量”的各種方案應運而生。這其中最簡單的并且大多數(shù)人最喜歡的一種，便是在1964年分別由三組研究人員獨立提出的希格斯機制。也不是一定要有Higgs粒子來提供質量，還可以有別的方法。例如，根據(jù)愛因斯坦相對論所得出的質能關系：E = mc2，質量和能量是互相聯(lián)系的。可以說質量的一部分可以來源于能量，這種質量便與Higgs粒子沒什么關系。圖6：質量的來源
比如說，如圖6a，設想一個無質量的盒子，其中充滿了不停地從四壁來回反射的光子。光子及盒子都沒有靜止質量，但是由于光子帶有總能量E，因而整個盒子可以有與能量相對應的m=E/c2的質量（圖6a）。
實際上，在我們即將介紹的標準模型中，質子質量的絕大部分就是來源于與上述光子盒類似的機制（圖6b）。質子的靜止質量為938MeV，組成質子的三個夸克的總質量僅為11MeV，剩余的927 MeV的質量從何而來呢？是來源于強相互作用的傳遞粒子“膠子”。膠子g和光子g一樣，沒有靜止質量，但質子中的許多膠子在一起運動和相互作用，因此具有的束縛能，便是質子中絕大部分質量的來源。如果空間中存在某種場，場與在其中運動的粒子相互作用。這種作用的結果便有可能改變運動粒子的能量，從而賦予粒子以相應的“質量”，這是希格斯機制能夠賦予粒子質量的基本道理。
場的真空態(tài)是能量最低的狀態(tài)。但是一般來說，能量最低的狀態(tài)對應于場強為0。如果場的勢能曲線比較特別，比如通常使用的所謂“墨西哥帽子”的形狀（圖6c）。這時，能量最低的狀態(tài)是無限簡并的，即如圖6c所示的墨西哥帽向下凹的一圈。這一圈的能量最低，但場強卻不為0。希格斯場的真空態(tài)，便可以由這種勢能曲線描述的系統(tǒng)，產生“自發(fā)對稱破缺”而得到，就像圖中所畫的小球無法停在中間能量較高的不穩(wěn)定位置，最后朝一邊滾下到谷底某一點的情形。因此，希格斯機制假設真空中存在著場強非零且穩(wěn)定的希格斯場。這種場無處不在，無孔不入，質量為零的各種基本粒子身陷其中，與希格斯場相互作用，并且獲得它應該具有的質量。
從現(xiàn)代場論的觀點，場的激發(fā)態(tài)便表現(xiàn)為粒子。希格斯場的真空態(tài)有4種激發(fā)模式（圖6c的左上圖），其中沿著勢能曲線對稱軸繞圈的相位變化模式有3種，對應于3種質量為0的Goldstone粒子（戈德斯通粒子），這些粒子在與其它粒子反應時消失不見，也稱被“吃”掉了，只有一種沿著勢能曲線“徑向”振動的激發(fā)模式對應于有質量的場粒子，也就是被大家稱之為“上帝粒子”的希格斯粒子。
綜上所述，希格斯粒子解決了質量的問題，物理學家們得以在規(guī)范場的基礎上建立標準模型理論，將除了引力之外的其它三種力，統(tǒng)一在同一個模型中。標準模型包括了61種基本粒子，而希格斯粒子是這些粒子中，最后一個被“發(fā)現(xiàn)”的。因此，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，毫無疑問地成為驗證標準模型的重要里程碑。
[1]Higgs P W. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons[J]. Physical Review Letters，1964，13 (16): 508–509.
[2]Nambu, Y.; Jona-Lasinio, G. (October 1961)."Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II". Physical Review 124: 246–254。.
[3]M. Kobayashi, T. Maskawa (1973). "CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction". Progress of Theoretical Physics 49 (2): 652–657.
