希格斯粒子综述

现代理论物理导论作业题目: 关于希格斯粒子的介绍

专业班级 2014级学科教学（物理）学生姓名

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关于希格斯粒子的介绍

(2014级学科教学（物理） )

摘要：希格斯粒子的研究是物理学前沿领域研究，因此对于希格斯粒子

的了解至关重要。此文首先在简单的介绍希格斯粒子的基本术语后，介绍了希格斯粒子的理论发展，及其实验研究，最后完整的介绍了希格斯粒子的基本概念，将对希格斯粒子的有关内容进行简单的综述。

关键词：希格斯粒子；理论发展；实验探究

1 关于希格斯粒子的基础术语介绍

本篇文章使用到一些名称相近的术语。这些术语涉及到很多重要与相关的概念。为了避免混淆不清，在这里特别对这些术语加以详细解释说明。

规范对称性：将物理系统在各个时空位置的物理性质按照规范场论关联在一起，可以分为全局规范对称性与局域规范对称性两种。为了满足局域规范对称性，必须引入传递基本相互作用的规范玻色字，而这规范玻色子必须不带有质量。例如，为了满足局域规范对称性，电磁相互作用的规范玻色子不带有质量，因此，电磁力是长程力，光子的质量为零。相互作用的规范对称性迫使它的规范玻色子不带有质量，但是实验证明，弱相互作用的规范玻色子（W玻色子、Z玻色子）实际带有很大的质量，因此弱作用力是短程力。很长久一段时间，物理学者无法完善处理这理论瑕疵。

希格斯机制：解释了为什么规范玻色子仍旧带有质量，尽管基本粒子所遵守的物理定律必须满足规范对称性。理论物理学者进一步提出，希格斯机制可能是所有基本粒子获得质量的物理机制。这希格斯机制已被实验证实。但是，物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节。

希格斯场：是根据标准模型假定遍布于宇宙的一种基本场。假若这希格斯场存在，则弱电相互作用所遵守的对称性物理定律的会被打破。希格斯场的存在触发了希格斯机制，使得负责传递弱作用力的规范玻色子带有质量，因此弱作用力是短程力。理论物理学者进一步提出，这同样的希格斯场可以解释为什么其它种基本粒子（轻子、夸克）也带有质量。

“希格斯玻色字”是伴随着希格斯场的带质量玻色子，是希格斯场的振动。假若能够寻找到希格斯玻色子，则可以明确地证实希格斯场也存在于宇宙，就好像从观察海面的波浪可以推论出大海的存在。假若能够找到希格斯玻色子，则可证实希格斯场存在，连带地确认希格斯机制与标准模型基本无误。但是，几十年来，物理学者无法证实希格斯玻色子是否存在，因为很难制备出希格斯玻色子，

而且希格斯玻色子的寿命非常短暂，在22

10 秒内，就会发生衰变。虽然理论给出亮丽的正确答案，[1]从1980年到2011年，具有探索希格斯玻色子功能的粒子对撞机、侦测器、电脑费了三十多年光阴的研究发展，才臻至完备。终于在2013年，物理学者表示，他们确信已从实验证实希格斯玻色子存在，因此，某种形式的希格斯场遍布于宇宙这概念已被证实。之后几年，更进一步仔细检试应该会给出更多相关资讯，并且未来会对人类对于宇宙的认知有更大的冲击。[2]“希格斯势”涵盖了希格斯场的物理行为与性质，是描述希格斯场的方程的关键项目。依希格斯势的函数形式，希格斯场会表现出特征的物理行为。物理学者并不清楚希格斯势之确切形式，所以描述希格斯场的公式只能说是一个合理猜测。

本篇文章从下段落起，将希格斯玻色子简称为“希子”。

2 理论发展

2.1 理论的最初发展

物理学者认为物质是由基本粒子组成，这些基本粒子彼此之间相互影响的基本力有四种。根据规范场论，为了满足局域规范场，必须引入传递基本力的规范玻色子。特别而言，传递电磁力的规范玻色子就是光子。1953年，杨振宁与罗伯特·米尔斯试图将这关于电磁力的点子延伸至其他种基本力，他们提出了杨-米尔斯理论，但是规范场论预测规范玻色子的质量必须为零，而零质量玻色子传递的是类似电磁力的长程力，不适用于像弱核力或强核力一类的短程力。[3]怎样才能够使得传递短程力的规范玻色子获得质量？物理学者在凝聚态物理学的超导理论里找到重要暗示。1950年，俄国物理学者维塔利·金兹堡与列夫·郎道提出金兹堡-朗道理论，他们建议，在超导体里，弥漫着一种特别的场，能够使得光子获得有效质量，但他们并没有明确地描述这特别场。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀、约翰·施里弗共同创建了BCS理论，他们认为，由电子组成的库珀对，形成了这特别场。规范对称性被这特别场隐藏起来，因此造成自发对称性破缺──虽然对称性仍旧存在于描述这物理系统的方程，但是方程的某种解答并不具有这对称性。[3]

南部阳一郎于1960年将自发对称性破缺的概念引入粒子物理学。他建议，假定夸克与反夸克的质量为零，则生成它们的能量成本很低，如同电子们在超导体里凝聚为库珀对，它们会在真空里凝聚为夸克对，使得强相对作用的手征对称性被打破，夸克会因此获得质量。他又指出，在这机制里，还会出现一种新的零质量玻色子，即π介子，由于上夸克、下夸克的质量不等于零，π介子的实际质量不等于零，只是比其他种介子的质量都轻很多。[4] 1962年，杰福瑞·戈德斯

通提出戈德斯通定理，对于这类零质量玻色子的性质给予描述。根据这定理，当连续对称性被自发打破后必会生成一种零质量玻色子，称为戈德斯通玻色子。带质量粒子比较难制成，粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子。零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同，零质量粒子很容易制成，或者可从缺失能量或动量推测其存在。然而，事实并非如此，物理学者无法做实验找到其存在的任何蛛丝马迹，这事实意味着整个理论可能有瑕疵。1963年，菲利普·安德森发表论文指出，对于非相对论性的超导体案例，假若是规范对称性被打破，则不一定会出现戈德斯通玻色子，他进一步猜测，这机制应该可以加以延伸来处理相对论性案例，但他并没有明确地给出一个相对论性案例。这论述遭到未来诺贝尔化学奖得主沃特·吉尔伯特强烈反对。

1964年，弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特领先于8月，紧接着，彼得·希格斯于10月，随后，杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔于11月，这三个研究小组分别独立地发表论文，宣布研究出相对论性模型。古拉尼于1965年、希格斯于1966年、基博尔于1967年，又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质。这三篇1964年论文共同表明，假若将局部规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起，则规范玻色子必然会获得质量。 1967年，史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆各自独立地应用希格斯机制来打破电弱对称性，并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔

登·格拉肖的电弱理论。温伯格指出，这过程应该也会使得费米子获得质量。[4]

关于规范对称性的自发性破缺的这些划时代论文，最初并没有得到学术界的重视，因为大多数物理学者认为，非阿贝尔规范理论是个死胡同，无法被重整化。1971年，荷兰物理学者马丁纽斯·韦尔特曼与杰拉德·特·胡夫特发表了两篇论文，证明杨-米尔斯理论（一种非阿贝尔规范理论）可以被重整化，不论是对于零质量规范玻色子，还是对于带质量规范玻色子。自此以后，物理学者开始接

受这些理论，正式将这些理论纳入主流。[4]

从这些理论孕育出的电弱理论与改善后的标准模型，正确地预测了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、顶夸克、粲夸克，并且准确地计算出其中一些粒子的性质与质量。很多在这领域给出重要贡献的物理学者后来都获得了诺贝尔物理学奖与其它享有声望的奖赏。发表于《现代物理评论》的一篇1974年文章表示，至今为止，这些理论推导出的答案符合实验结果，但是，这些理论到底是否正确

仍旧无法确定。[5]权威著作《希格斯狩猎者指南》的作者指明，标准模型拥有惊

人的成功。现今，粒子物理学的核心问题就是了解希格斯区的相关理论。

2.2 物理评论快报1964年里程碑论文

六位物理学者分别发表的三篇论文，在《物理评论快报》50周年庆祝文献里被公认为里程碑论文。2010年，他们又荣获理论粒子物理学樱井奖。同年，在他们之间，又发生了一点争执，万一因此获得诺贝尔物理学奖，由于每一年只能授予给三位杰出人士，而现在有六位人士做出了关键贡献，到底应该颁发物理