规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

科普讲座：为什么要寻找“上帝粒子”？（网络下载 清风编辑）

标签： 希格斯玻色子 

2012-07-04 23:42 阅读(355)评论(65)编辑删除

      欧洲大型强子对撞机成功完成了创造迷你版“宇宙大爆炸”的实验，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球。据称，这将开启粒子物理学研究的新世纪。欧洲大型强子对撞机实验一直吸引着全世界的目光，其中担负的最重要任务就是寻找人称“上帝粒子”的希格斯粒子。不久前，中国高能物理研究所研究员、大型强子对撞机ATLAS国际合作组中国负责人金山在中国科技馆“科学讲坛”上，向读者介绍了有关情况：

01、让万物获得质量的粒子：
      世界上一切物体都是有质量的，我们在中学学习牛顿定律的时候，就把这当成理所当然的事情了。
      可是，为什么物体会有质量？一直到上世纪50年代，好像也没有人认真地想过这回事？
      世界上有些人就是爱刨根问底，他们要寻找物质世界构成、运转的基本结构、基本规律，寻找这世界何以会如此的终极真理。
      20世纪初期的时候，物理学家们好像已经找到了终极真理，他们认为，世界上一切事物都由原子构成，而物质世界的运动都受重力和电磁力的支配。
      但是后来，人们发现，原子并不是构成世界的最基本粒子，原子内部也是有结构的：原子由原子核和电子构成，原子核由质子和中子构成，而质子和中子也不是基本粒子，它们是由各种夸克构成的。深入到这样的结构中后，物理学家发现，支配物质运动的不仅仅有我们日常生活中能够感受到的“重力（万有引力）”和“电磁力”，还有我们日常生活中无法感受的“强力（强相互作用力）”和“弱力（弱相互作用力）”。
      事情到这一步变得很混乱，用诺贝尔奖得主、标准模型建立者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说，那是“一个充满挫折与困惑的年代”。物理学家必须致力于寻找一种统一的理论，来描述所有这些基本粒子及各种力出现的机制。
      物理学家们真是聪明，聪明得匪夷所思。到上世纪60年代，物理学家们真的构造出了一个标准模型，那上面使用的语言是我们普通人想破脑袋也理解不了的，但我们只要知道结论就可以了——用标准模型来描述强力、弱力及电磁力这三种基本力(就差重力还没有包含进来)以及所有基本粒子（共62种）的构成机制。

 迷你“宇宙大爆炸”实验模型

    要了解一点这个标准模型的神奇性，通过这一点就可见一斑了。标准模型中引入了英国物理学家希格斯提出的一种机制，通俗地理解是这样：空间中充满着希格斯粒子，当加速基本粒子时，容易碰撞希格斯粒子者就较难加速(质量较大)，碰撞几率较低者即容易加速(质量较小)。由此可以说，物质本身无所谓质量，质量是物质与希格斯粒子的相互作用。
      可是就是这样一个叫人匪夷所思的模型，它的更神奇之处在于，基于这个理论的很多预言居然被一个又一个激动人心的实验证实了。当1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，被标准模型预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证！
      但是还剩一个幽灵没找到，那就是让所有物质获得质量的，在标准模型中占有基础性地位的，被一些人称为“上帝粒子”的那个——希格斯粒子。
 
02、一定是个“大块头”：
     为什么希格斯粒子到现在还没有找到？原因其实也很简单，说起来很容易理解：它的质量一定足够大，以往使用的粒子对撞机能量还不够大，还不足以把它撞出来。
      基于迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron) 以及其它加速器所做的工作，科学家推断希格斯玻色子的质量在114至185 GeV之间。

  粒子对撞实验模型

      寻找理论假设中的希格斯粒子的另一个困难是，它极不稳定，如果确实存在，它将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。
      事实上希格斯就认为，费米实验室的Tevatron加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据，“只是还没有从数据分析中找到而已”。
      但是有一个“大家伙”的建成和投入使用，已经使科学家们获得了足够的信心：由于它所达到的能量已经足够大，因此这将是一个判决性实验——如果真有希格斯粒子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。
     这个“大家伙”就是于2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机(LHC)。它位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中，耗资总计约 20亿美元。在撞击器内那条27公里长的圆形隧道，超导磁铁会把质子和离子，加速至接近光速，然后相撞，在极细微空间爆发十万倍太阳温度的超级高温。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子。
      欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔说，“如果我们足够幸运的话，我想明年就能有所成就。”
      那么，“是找到好，还是找不到好呢？”
      对于欧洲大型强子对撞机正在进行的实验，物理学家们当然是给予了高度的关注，但他们的心态却各有不同。
      出生于1929年的希格斯说，希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯粒子的存在。他幽默地说：“如果届时还是没有发现，那我只能祝愿自己活得再长久一些了。”但他强调，如果总是不能证实希格斯粒子的存在，那么他将“非常、非常困惑”，因为他“无法想象除此之外还能怎样解释物质是如何获得质量的”。
      但也有人说，许多理论物理学家都觉得，比起找到45年前就被预测的一个无趣的老粒子，欧洲实验希望它失败反而觉得更有趣多了。
      事实上，即便找到希格斯粒子也不能解决所有问题。原有的标准模型本来就有一些缺陷，比如无法解释暗物质以及太阳中微子振荡。倘若真的找到了希格斯粒子，证明标准模型是多么的完美，人们还是要为那些无法解释的暗物质等问题困惑不已。（清风我本人是力挺暗物质学派的，我在清风博客的前面已经写过3万多字宇宙大爆炸和有关暗物质存在的论文）。

 粒子对撞产生新粒子

      而“标准模型”并非是惟一的理论体系，早有科学家另行提出了“超对称理论”、“弦理论”等等。它们同样期待通过大型强子对撞机的实验找到有利于自己的证据。
      用100美元打赌找不到希格斯粒子的霍金就表示：“如果未能发现希格斯粒子，我想这将更令人兴奋。因为这说明这些想法是错误的，我们需要重新思考。无论大型强子对撞机发现或者没发现什么，其结果都将告诉我们有关宇宙结构的更多知识。”
 
03、找到了又能怎么样？
      经常会有人提这样的问题，花那么大的代价，那么多的人力物力，去寻找什么玄而又玄的希格斯粒子，到底有什么用？到底值不值？
      物理学家会用一句话来回答这个问题：人和蚂蚁不同，我们有求知欲，我们需要了解生命和宇宙的机制。
      事实上，科学上很多重要的发现都不是出于功利的目的。人之所以和世界上其他的动物不同，就在于人有好奇心，人有求知欲。我们从哪里来？我们到哪里去？这个世界到底是什么？对这些终极问题的求索，使得人类世界与动物世界有了根本不同的面貌。
      即便是从功用的角度说，历史的经验总是证明了，科学真理的发现一定会给我们的实际生活带来有用的影响。比如说，当年创建量子力学的那些物理学家，他们的兴趣也许只为探索物质世界的终极奥秘，但如果没有建立在量子力学基础上的半导体理论，电子计算机的发明就完全不可能，我们今天信息时代的生活也就不可想象。 

04、何谓“希格斯粒子”？
      科学家们在建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论时，它把基本粒子分成3大类：夸克、轻子与玻色子。标准模型的缺陷，就是该模型无法解释物质质量的来源。在本质上，这个场就像一池黏黏的蜜糖，除了非质量的基本粒子，通过此场的时候，会将粒子转变成带有质量的粒子，就像是原子的成分。在标准模型中，希格斯粒子包含了一个中性与两个带电成分的区域。两个带电和一个中性区域皆是Goldstone玻色子，是纵向三极化分量带质量的W+、 W–和 Z 玻色子。

  粒子对撞产生新粒子的运动轨迹

     维持中性成分的量子对应到具有质量的希格斯粒子。既然希格斯场是一个标量场，希格斯粒子没有自旋，也就没有内在的角动量。标准模型没有预测希格斯玻色子的质量。如果质量在115和180 GeV/c2之间，则标准模型的能量等级可以有效直到普朗克尺度（1016 TeV）。 　　
      许多理论学家预测新的物理学会建构在标准模型之上能量在TeV的尺度，基于不足的标准模型性质。希格斯粒子(或其他的电弱对称机制)可能的最大质量是1.4 TeV；除了这一点，标准模型变的不相容，因为统一性违反了一些散射的过程。许多超对称性的模型预测出最轻的希格斯粒子的质量比现在实验在高一点，大约120 GeV或者更低。 　　
 
05、方程简式：
　　  用方程式可以简要的表达以下这种变化： 　　
     （1）夸克（K+2/3、K-2/3）、味玻色子（W+1、W-1）及电荷粒子 （E+1、E-1）的生成方程： 
　　  1、H+8/3 → K+2/3 + W+1 + E+1 　　
      2、H-8/3 → K-2/3 + W-1 + E-1 　　
    （2）夸克（K-1/3、K+1/3）、味玻色子（W+1、W-1）及中微子（M 0）的生成方程： 　　
      1、V-4/3 → K-1/3 + W-1 + M 0 　　
      2、V+4/3 → K+1/3 + W+1 + M 0 　　
      （3）希格斯玻色子（X0）、引力子（G0）及味玻色子（W+1、W-1）的生成方程： 　　
      1、H+8/3 + H-8/3 → X0 + W+1 + W-1 　　
      2、V+4/3 + V-4/3 → G0 + W+1 + W-1 　　
     （4）磁单极子（C0）、胶子（J0）、光子（Y0）及不带电荷的味玻色子（Z0）的生成方程： 　　
      1、H+8/3 + H-8/3 → C0 + J0 + Z0 　　
      2、V+4/3 + V-4/3 → Y0 + J0 + Z0模型

05、标准模型：
　　  粒子物理学在上个世纪50年代，经历了一个短暂的困难时期，按照诺贝尔奖得主，电弱统一理论提出者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”，几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答，从60年代开始，基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论，逐步构建完成了现代的标准模型理论。
      今天，标准模型早已成为粒子物理学的主流理论，它的很多预言不断被一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。 　　
      标准模型包含费米子及玻色子两类——费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。 　　
      标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。 　　      希格斯玻色子也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。
      那么为何质量问题如此重要呢？要解答这个问题，必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中，杨-米尔理论无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性，禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。
      一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。
      1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现所谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。 　　
    这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，将使整个标准模型失去效力。