希格斯眼中的上帝粒子解读.docVIP

希格斯眼中的上帝粒子 欧洲核子中心大型强子对撞机的ATLAS探测器获得了数据的模拟粒子路径图。（凤凰科技配图） 如果把物质分割得越来越小，会发生什么？ 最终，你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。 到了这一步，你就已经抵达了标准模型（我们当前的粒子物理学理论）之中，我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质，到了这个地步，你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。 夸克事实上还可以分成6种：构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克，另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族，即轻子：包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子，以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子，被统称为“费米子”，都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。 如此简洁的基本粒子组合，与实验事实完美吻合，但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性，被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同粒子的质量各不相同，从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克，跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方，为什么又如此千差万别呢？ 破缺的对称 在标准模型之中，构成物质的费米子通过作用力发生相互作用，而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例，是它使得原子能够形成，驱动电流在我们的电器中奔腾，而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡：电子（携带1个负电荷）感受到的电磁力，就要强于夸克（携带- 或者+ 个电荷）。不带电荷的中微子，根本感受不到电磁力。 夸克还拥有各自的“色荷”，被称为胶子的粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多，但奇怪的是，胶子本身也携带色荷，因而会彼此粘黏在一起。于是，我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游，只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。 至于标准模型中的第三种作用力，弱核力的强度相当弱，但如果没有它，驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱，大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量 几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。在通常条件下，如果可以的话，物质粒子更愿意交换没有质量的光子来发生相互作用。 在极高的能量下，比如在宇宙诞生的最初一瞬间，或者粒子加速器的对撞当中，这些差异就消失了。电磁力和弱核力，在日常生活中相差如此之巨的两种作用力，变成了统一的“弱电力”。 弱电力分裂成电磁力和弱核力的过程，被称为弱电对称破缺，必定发生在宇宙早期的某一时刻。不管是什么导致了这一过程的发生，它与质量之谜都有着明显的关联。毕竟，通过这一机制，W玻色子和Z玻色子获得了质量。希格斯玻色子最初就是提出来解释这个对称为什么会破缺的。 概念的诞生 对称破缺并不仅限于奇异的作用力。日常生活中我们都会遇到一个例子，那就是液体冷却后变成固体。对于液体来说，从所有方向上看过去，它都是一样的。而对于固体来说，沿着不同的轴向看过去，它的样子会有明显的区别。在这个过程中，前面这种广义上的对称状态被后面这种不太对称的状态取代了。 上世纪60年代，粒子理论学家开始研究，能不能发展出一些工具来描述这种对称破缺，以便应用于不断冷却的宇宙。这绝非易事。固体或液体之中分子的相互作用，可以通过一套固定的参照坐标系来定义，然而由于爱因斯坦的广义相对论，在宇宙之中你找不到这样一个标准的参照系。 1964年，比利时理论学家罗伯特·布绕特（Robert Brout）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran ois Englert）提出了量子场方程，这种场能够弥漫于整个宇宙，在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了同样的方程，并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。同年稍晚些时候，杰拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡尔·哈庚（Carl Hagen）和汤姆·基博尔（Tom Kibble）将这些概念整合成了一种更为现实的理论——这就是标准模型的前身。 后来被称为希格斯场的这个东西，它的中心思想就在于：即使处于最低能的状态，空间也绝非空无一物。在空间中穿行的粒子或多或少会与这个场发生作用，这种作用使粒子在运动时产生了一种“粘黏”的特性，也就是质量。W玻色子和Z玻色子通过与这个场的某种相互作用获得了它们的质量，费米子则通过另外一种相互作用获得了质量。由于希格斯场不携带净的电荷或者色荷，光子和胶子根本不与它发生作用，因此