聚焦诺贝尔物理奖：粒子的质量是怎么来的
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好久没写了，最近好忙。Higgs获诺贝尔物理奖了。拐弯抹角的，不管拐了多少弯，抹了多少角，姑且假设咱也和Higgs有点关系吧，哈哈。翻译一篇报道吧，算是纪念。图片是Peter Higgs在CERN。
Particle proposed and discovered. Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel Laureates, stands in front of the CMS detector, part of the Large Hadron Collider at CERN, the European particle physics lab. Researchers used CMS to observe the particle Higgs predicted 50 years ago.
原文地址：美国物理学会的报道
2013年的诺贝尔物理奖颁发给了两位理论物理学家，以奖励他们建立了Higgs机制。Higgs机制回答了基本粒子如何获得质量的问题。
在理论预言近50年后，粒子物理学家终于逮住了那个Higgs粒子。因此，今年的诺贝尔物理奖给了这次围猎行动的始作俑者，两位理论物理学家François Englert of the Free University of Brussels (ULB) 和英国爱丁堡大学Peter Higgs 。两人独立创立了一个模型，解释了粒子怎么有质量的问题。该模型预言Higgs波色子存在。文章都发表在物理评论快报上。美国物理学会有免费的文章。
经过实验物理学家近几十年的围追堵截，Higgs波色子成为了粒子物理标准模型中的最后一个在逃者。2012年6月，欧洲核子中心(CERN)华丽地宣布坐落在日内瓦的大型核子对撞机(LHC)发现了一个和Higgs波色子具有一样性质的粒子，这意味着实验物理学家已经确认了这一质量机制的基本理论。
从技术层面来讲，Higgs波色子不是直接给其他粒子质量。Higgs波色子是Higgs场的量子化。更精确地说，Higgs场是通过和其他粒子相互作用而产生质量的。但是，为什么不能假设质量已有的量呢？
回答这个问题，我们还得回看量子场论早起的工作。量子场与我们更常见的电磁场相似。然而，量子场中的激发态可以以粒子的形式被实验观测到。场可以分为物质场(对应的粒子如电子、夸克等)和相互作用场(对应的粒子如光子、胶子等)。20世纪40年代末，理论家证明了关于光子和电子的量子场论可以成功的解释高能区的电磁相互作用。
但是，在解释核相互作用时，理论遇到了麻烦。核力是短程力，这意味着不同于电磁场中无质量的光子，核相互作用对应的粒子是有质量的。简单的给传递相互作用的粒子赋予质量会带来灾难性的后果，某些结果会出现无穷大。20世纪60年代早期，人们急切需要找到在理论中引入质量的另一种途径。
Higgs, Englert, 和 Robert Brout 解决了这一问题，其中Robert Brout 是Englert的同事，已经去世。他们指出场通过与参与弱相互作用的粒子相互作用而赋予它们质量。之所以这样是因为在真空中场不为零。非零基态的存在破坏了被认为是量子场论的一个基本的对称性。早期的工作已经证明这种对称性的破坏会导致存在一种无质量，自旋为零的粒子，但是这与实验不符。Higgs, Englert, 和 Robert Brout 通过真空中的场与弱力场的耦合的办法证明了这种无质量，自旋为零的粒子不存在。当他们完成所有相互作用的计算的时候，他们发现被那个实验上否定了的无质量的，自旋为零的粒子实际上被弱相互作用粒子所吸收。结果这些粒子得到了第三个自旋态，而剩下的唯一的无自旋粒子是有质量的Higgs波色子。同年，第三个理论物理学家团队发现了相似的理论。
后续的工作证明，Brout-Englert-Higgs 机制(简称Higgs机制)不仅能给弱相互作用粒子质量，还能给电子、夸克等其他基本粒子质量。粒子与Higgs场的相互作用越强，质量越大。值得注意的是，多数复合粒子，如质子、核子、原子等，其质量并不是来自Higgs机制，而是来自将那些基本粒子束缚在一起的束缚能。
芝加哥大学的Michael Turner 说：“Brout and Englert and Higgs提出了一个非常聪明的想法，现在以‘Higgs机制’闻名于世。该机制解释了一个人们可以问的最原始的问题：粒子为什么有质量。这个问题简单到许多人都都不曾想过问这样的问题，但是它确实非常有意义的。”CMS实验的新闻发言人Joseph Incandela说：为了证明这一机制，粒子物理学家建造了史上最大，技术含量最高的实验装置，LHC，并发现了Higgs波色子。他说：“我想这回粒子物理学家甩掉了粒子物理是水中捞月的帽子。”
原作者Michael Schirber is a freelance science writer in Lyon, France.
References
Particle proposed and discovered. Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel Laureates, stands in front of the CMS detector, part of the Large Hadron Collider at CERN, the European particle physics lab. Researchers used CMS to observe the particle Higgs predicted 50 years ago.
原文地址：美国物理学会的报道
2013年的诺贝尔物理奖颁发给了两位理论物理学家，以奖励他们建立了Higgs机制。Higgs机制回答了基本粒子如何获得质量的问题。
在理论预言近50年后，粒子物理学家终于逮住了那个Higgs粒子。因此，今年的诺贝尔物理奖给了这次围猎行动的始作俑者，两位理论物理学家François Englert of the Free University of Brussels (ULB) 和英国爱丁堡大学Peter Higgs 。两人独立创立了一个模型，解释了粒子怎么有质量的问题。该模型预言Higgs波色子存在。文章都发表在物理评论快报上。美国物理学会有免费的文章。
经过实验物理学家近几十年的围追堵截，Higgs波色子成为了粒子物理标准模型中的最后一个在逃者。2012年6月，欧洲核子中心(CERN)华丽地宣布坐落在日内瓦的大型核子对撞机(LHC)发现了一个和Higgs波色子具有一样性质的粒子，这意味着实验物理学家已经确认了这一质量机制的基本理论。
从技术层面来讲，Higgs波色子不是直接给其他粒子质量。Higgs波色子是Higgs场的量子化。更精确地说，Higgs场是通过和其他粒子相互作用而产生质量的。但是，为什么不能假设质量已有的量呢？
回答这个问题，我们还得回看量子场论早起的工作。量子场与我们更常见的电磁场相似。然而，量子场中的激发态可以以粒子的形式被实验观测到。场可以分为物质场(对应的粒子如电子、夸克等)和相互作用场(对应的粒子如光子、胶子等)。20世纪40年代末，理论家证明了关于光子和电子的量子场论可以成功的解释高能区的电磁相互作用。
但是，在解释核相互作用时，理论遇到了麻烦。核力是短程力，这意味着不同于电磁场中无质量的光子，核相互作用对应的粒子是有质量的。简单的给传递相互作用的粒子赋予质量会带来灾难性的后果，某些结果会出现无穷大。20世纪60年代早期，人们急切需要找到在理论中引入质量的另一种途径。
Higgs, Englert, 和 Robert Brout 解决了这一问题，其中Robert Brout 是Englert的同事，已经去世。他们指出场通过与参与弱相互作用的粒子相互作用而赋予它们质量。之所以这样是因为在真空中场不为零。非零基态的存在破坏了被认为是量子场论的一个基本的对称性。早期的工作已经证明这种对称性的破坏会导致存在一种无质量，自旋为零的粒子，但是这与实验不符。Higgs, Englert, 和 Robert Brout 通过真空中的场与弱力场的耦合的办法证明了这种无质量，自旋为零的粒子不存在。当他们完成所有相互作用的计算的时候，他们发现被那个实验上否定了的无质量的，自旋为零的粒子实际上被弱相互作用粒子所吸收。结果这些粒子得到了第三个自旋态，而剩下的唯一的无自旋粒子是有质量的Higgs波色子。同年，第三个理论物理学家团队发现了相似的理论。
后续的工作证明，Brout-Englert-Higgs 机制(简称Higgs机制)不仅能给弱相互作用粒子质量，还能给电子、夸克等其他基本粒子质量。粒子与Higgs场的相互作用越强，质量越大。值得注意的是，多数复合粒子，如质子、核子、原子等，其质量并不是来自Higgs机制，而是来自将那些基本粒子束缚在一起的束缚能。
芝加哥大学的Michael Turner 说：“Brout and Englert and Higgs提出了一个非常聪明的想法，现在以‘Higgs机制’闻名于世。该机制解释了一个人们可以问的最原始的问题：粒子为什么有质量。这个问题简单到许多人都都不曾想过问这样的问题，但是它确实非常有意义的。”CMS实验的新闻发言人Joseph Incandela说：为了证明这一机制，粒子物理学家建造了史上最大，技术含量最高的实验装置，LHC，并发现了Higgs波色子。他说：“我想这回粒子物理学家甩掉了粒子物理是水中捞月的帽子。”
原作者Michael Schirber is a freelance science writer in Lyon, France.
References
- J. Goldstone, “Field theories with Superconductor Solutions,” Nuovo Cimento19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam, and S. Weinberg, “Broken Symmetries,” Phys. Rev.127, 965 (1962).
- G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, “Global Conservation Laws and Massless Particles,” Phys. Rev. Lett.13, 585 (1964).
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