希格斯物理 （1）

 

希格斯物理 （1） [文章类型: 原创] 连载去年写的一个东西。原文在“现代物理知识”25卷第六期发表。 希格斯物理 韩涛 (University of Pittsburg/清华大学), 王连涛(University of Chicago) 1. 引言 2012年7月4日将作为一个激动人心的日子载入科学史。在这一天,座落在法国和瑞士边 境上的欧洲核子中心(CERN)宣布在大型强子对撞机(LHC)上发现一个新的基本粒 子, 被称为希格斯粒子。2013年10月8日,由于他们1964年的理论工作,比利时物理学 家Francois Englert和英国物理学家Peter Higgs被授予2013年度的Nobel奖。这是高能物 理和基本粒子物理近四十年来最重大的发现。它所带来的震动深刻地影响了整个基础理论 的走向,从而进入了一个全新的时代。本文将简单介绍这个奇妙的希格斯粒子以及希格斯 机制,并展望和它有关的新物理。 人类对于自然界最基本的粒子的探索始于远古时代。在早期的历史中,尽管有一些智慧的 思辨,但是由于探索手段的限制,这些始终没有成为基于实验基础的科学理论。这个情况 一直到二十世纪才得到根本性的改变。从Thomson的阴极射线管,到卢瑟佛的α 粒子散 射,一直到高能粒子对撞机,人们对微观世界的探索不断深化,不同的基本粒子被相继发 现。同时,二十世纪初诞生的相对论和量子力学的结合和发展最终带来了量子场论,为认 识基本粒子现象提供了坚实的理论基础。最终在八十年代初期,一个可以用来描述全部所 观测到的基本粒子的理论框架取得了足够多的试验验证,并得到了广泛的承认。这就是基 本粒子物理的标准模型[1][2][3]。 这个模型包括6种夸克和6种轻子。它描述了自然界的三 种基本的相互作用,强相互作用,弱相互作用,以及电磁相互作用。这些相互作用也是通 过基本粒子传播的,这些传播粒子分别为胶子(强),W和Z (弱),以及光子(电 磁)。为了解释基本粒子质量的来源,标准模型借用了希格斯机制并预言了一个新粒子的 存在。 希格斯粒子由此成了基本粒子家族的新成员。 需要强调的是,希格斯粒子的发现,其意义远远超过发现一个新粒子。和夸克,轻子, 和传播粒子不同,希格斯粒子是第?个被发现的自旋角动量为零的基本粒子。它在标准模 型当中起到极其微妙而重要的作用。在标准模型的建立到希格斯粒子发现前的四十多年 中,各种夸克,轻子, 以及基本相互作用的传播粒子全部被发现,它们的性质也被大量 的试验数据所验证。 但是,仅有这些内容的标准模型是不完整的。希格斯粒子的发现从 某种意义上讲使标准模型成为了一个自洽的框架。但是这一发现并不意味这我们对基本粒 子物理有了完整的认识。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问 题。对这些问题的探索会决定今后至少几十年高能物理发展的方向。 （下一节： 什么是希格斯机制） [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.