诺贝尔奖——为什么粒子具有质量2013-10-13 07:54:29| 分类： 探索科學新知 2013年的诺贝尔物理学奖颁给了两位理论物理学家，他们提出了Higgs机制，这一机制赋予了基本粒子质量。
在Higgs机制的的构想提出50年以后，粒子物理学家终于捕捉到了Higgs玻色子。因此诺贝尔评委会将这一殊荣颁发给了这一实验的两位理论启发者。一位是来自布鲁塞尔自由大学的Fran?ois Englert，另一位是来自英国爱丁堡大学的Peter Higgs，他们各自独立的提出了解释粒子为何会有质量的模型，在这一模型中，需要一个新粒子的参与，那就是Higgs玻色子。这两篇文章都发表在1964年的物理学评论快报（Physical Review Letters）上。 在几十年的搜寻后，Higgs玻色子补上了粒子物理标准模型的最后一个缺口。2012年六月，欧洲核子研究中心（CERN）激动的宣布大型强子对撞机（LHC）发现了一种与Higgs玻色子属性一致的粒子，这意味着科学家们已经确证了物质质量的基本理论。 严格地说，Higgs玻色子并不直接赋予物质质量。更加准确的说法是，Higgs玻色子是一种场（Higgs场）量子化的表现，它们通过和其他粒子相互作用而产生质量。但是，为什么不能认为质量是先验的就被赋予的呢？ 要回答这个问题还要回到量子场论前期的工作。量子场和其他形式的场相似，就像电磁场一样。但是量子场具有激发态，这种激发态在我们观察起来就是粒子。这些量子场可以分为物质场和作用力场两种，物质场的粒子是实体粒子，如电子、夸克等，而作用力场的粒子是传递相互作用的粒子，如光子和胶子。在上世纪40年代末，理论学家的工作表明，光子和电子的量子场理论能够成功的解释在高能情况下的电磁相互作用（就是我们熟知的量子电动力学QED）。 但是，QED模型在试图解决核相互作用的时候遇到了麻烦。弱相互作用力是一种核力，也是一种短程力，这说明和这种力相对应的粒子是有质量的，而不像电磁相互作用对应的光子是无质量的。如果我们简单的赋予这种玻色子质量，会导致灾难性的后果，在计算中会导致结果发散到无限大。在60年代早期，理论学家都在忙着寻找另一种手段将质量引入理论框架里。 这个问题的解决方法由Higgs，Englert和Robert Brout（曾经与Englert一起工作于布鲁塞尔自由大学，已经去世）提出，他们假设空间内弥漫着一种场，这种场与弱相互作用介子相互作用，并赋予它们质量。这是因为他们假设Higgs场在真空中并不是0。这样一种非零背景场和量子场论中的基本对称性相冲突。早期的工作表明这样一种对称性的破缺会产生一种无质量无自旋的粒子，实验上已经排除了它[1]。Englert，Brout和Higgs向人们展示了如果我们将这种背景场和弱相互作用耦合，就能让这种令人不愉快的粒子消失。其结果就是这些粒子会获得第三种自旋态，剩下的无自旋但有质量的粒子就是Higgs玻色子。类似的理论模型也在同一年由第三个理论小组提出[2]。 科学家们随后的工作表明Brout-Englert-Higgs机制（简称Higgs机制）不仅仅可以给弱相互作用粒子以质量，同样可以赋予电子、夸克和其他基本粒子质量。粒子与Higgs场的相互作用越强，其质量就越大。然而值得一提的是，对于有内部结构的粒子来说，例如质子，核子，原子等等的粒子，其大部分的质量并不来自于Higgs机制，而是来自于其各个组成部分的结合能。 “Brout, Englert和Higgs提出了一个非常聪明的想法，就是我们现如今知晓的Higgs机制。它为一个基本问题提供了答案，为什么粒子会有质量？这种问题虽然看起来很简单，却发人深省，很多人都没有想过这会是个问题。”来自芝加哥大学的Michael Turner说道。为了验证这一机制的正确性，粒子物理学家们建立了LHC，这也是人类历史上建设的最有技术含量的实验仪器，CMS实验组的发言人Joseph Incadela说道，其中CMS是设立于LHC中的一个用来探测Higgs玻色子的探测器。“我觉的当人们看到这一切，会觉得粒子物理开似乎开始了类似于登月这样的任务。”
猜想粒子和发现粒子。Peter Higgs, 2013年诺贝尔物理学奖得主之一，这是他站在欧洲粒子物理实验室CMS探测器前的照片，CMS是大型强子对撞机（LHC）中的一部分。科学家们利用CMS探测去去发现50年前预言的Higgs玻色子。
References
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Broken Symmetries and the Masses of Gauge BosonsPeter W. Higgs
Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector MesonsF. Englert and R. Brout |
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